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2022-09-08 18:08 浏览: 分类:手赚资讯

博亚体育app入口官网下载:有源电力滤波器的实时谐波检测方法

博亚体育app入口官网下载第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集有源电力滤波器的实时谐波检测方法2张波1丘东元1(1.华南理工大学电力学院,广州510640;2.广东交通职业技术学院,广州510800)Thelkal-TimeHarmonicDetectionMethodsActivePowerFilterZhangYil上ZhangB01QiuDongyuanl(1.CollegeofElectricPowerSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou510640,China;2.GuangDongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510800,China)摘要:谐波检测方法的精度及动态响应速度极大影响到有源电力滤波器的性能,本文归类介绍了有源电力滤波器常用的几种实时谐波检测方法,包括频域的滑窗迭代离散傅立叶变换及卡尔曼滤波的算法,时域的瞬时无功的pq理论及dq变换的算法。最后介绍了相关实时谐波检测方法的特点。关键词:电力有源滤波器,实时,谐波检测Abstract:Theaccuracydynamicresponseharmonicdetectionaffectactivepowerfiltersgreatly.TheCOlllnlonlyusedreal-timeharmonicdetectionmethodsintroducedincludingalgorithmsbasedRecursiveDiscreteFourierTransform(RDFnKalmanFiltering(1(F)infrequencydomainalgorithmsbasedOllInstantaneousReactivePowerPqtheory(IRP),dqTransformtimedomain.Therelatedcharacteristicsharmonicsdetectionmethodsproposedatlast.Keywords:Activepowerfilter(AFP),Real.time,Harmonicdetection1引言随着家用及工业用的电力电子设备的应用不断增长,各种变频器、变流器、开关电源和电抗器产生的谐波污染也日益严重,影响了电力系统的安全运行及线路周围的电磁环境。

同时消耗了大量的无功功率,给电网带来严重负担,降低了电网的供电质量。为了抑制电网谐波,传统方法采用无源滤波器PF(PassiveFilter)。它利用电感、电容的谐振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,从而减小流向电网的谐波电流。这种方法具有结构简单、设备投资低、运行可靠性高和维护方便等优点,但同时也存在许多缺陷有源电力滤波器(apf)抗干扰技术,如只能消除特定次谐波、可能与系统阻抗发生串并联谐振、滤波性能依赖于电网参数、消耗大等。对于严峻的谐波污染问题,有源滤波器APF(ActivePowerFilter)和混合型有源滤波器HAPF(HybridActivePowerFilter)是提高电能质量最有效的工具。早在20世纪70年代有源滤波的概念就提出来了,由于受当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制,APF的研制一直处在实验阶段。随着大功率可关断器件、高速数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)、数字方法及控制算法的发展,有源滤波技术在工业上进入了实用阶段。有源电力滤波器可以有不同的分类方法,从与负载联接形式的角度可分为并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两大类。并联型有源电力滤波器是工业实际中应用较为广泛,主要用于补偿可以看作电流源的谐波源;串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压型的谐波源。

在研究APF多功能化的同时,人们也致力于使有源装置容量降低的混合型有源滤波器的研究。根据第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集与APF混合的对象不同,混合型有源滤波器可分为两类,一类是与无源滤波器PF的混合,目的是降低成本,充分发挥APF和PF的优势;另一类是与其他变流器的混合有源电力滤波器(apf)抗干扰技术,目的是完善HAPF的功能,一般其中一个主要负载补偿无功功率,而另一个主要负责治理谐波【lJ。图1为并联有源电力滤波器的原理框图。图中is是电源电流,iL是负载电流,ic是补偿电流,ic*是补偿电流的指令信号,也称为指令电流。谐波电流的检测计算和补偿电流的跟踪控制是有源电力滤波器的两个关键技术。本文将介绍有源电力滤波器常用的实时谐波检测方法。图1并联有源电力滤波器的原理框图Fig.1Thestructureshuntactivepowerfilter2实时谐波检测方法在有源电力滤波器的应用中讨论最多的是谐波检测方法。谐波检测是指通过特殊的数学方法从输入电流,电压信号中检测出其某些特定属性,比如频率、幅值、相位、周期、能量等。从图l中可以看出如果谐波检测的过程中出现较大的误差,即使有再好的控制策略,整个有源电力滤波器的性能仍然会受到极大的影响。

博亚体育app入口官网下载谐波检测主要分为频域和时域两大类方法。本文将分别介绍表1中所列的各种谐波检测方法。表l有源电力滤波器常用实时谐波检测方法分类Table1Classificationcommonlyusedharmonic域谐波检测方法滑窗迭代离散傅立叶变换(Recursive频域DiscreteFouderTransfonn,RDFT)卡尔曼滤波(Ka/manfiltering)瞬时无功的pq理论(Instantaneous时域ReactivePowerPqtheory)2.dq变换(dqTransform)2.1滑窗迭代离散傅立叶变换【z-61滑窗迭代离散傅立叶变换的基本公式可表示为采样个数,f=T/N,k表示最新的采样数据点。与离散傅立叶变换相比,扛虬代替了i=0,圯。,一+1代替了N-1,最新的实时采样数据参与负载电流检测分析,而相应的淘汰最老的采用数据,加快了采样数据的更新速度,提高了系统跟踪负载电流变化的能力。滑窗迭代离散傅立叶算法同样可以应用于单次的谐波检测,以检测5次谐波为例:u#r)=4cos(5础r)+忍sin(50蔚r)(2)文[2】利用滑窗迭代离散傅立叶变换,准确求取负载电流中的谐波成份有源电力滤波器(apf)抗干扰技术,通过对该算法进行扩展应用于单次谐波的检测。

整个算法实现简单,计算量小,有效地提高参考谐波电流信号的运算速度与跟踪精度。在仿真研究的基础上,应用数字信号处理器(DSP)设计了一套实验装置。文[3】使用滑窗迭代离散傅立叶变换进行谐波检测,只需要普通离散傅立叶变换I/6的-102.第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集数据,而且在使用旋转坐标系解决了滑窗迭代离散傅立叶变换系数的量化问题,仿真及实验证明了其良好的谐波抑制和跟踪响应特2.2卡尔曼滤波【4,5】卡尔曼滤波使用状态空间随机信号模型 表示如下: 如果信号包括_次频率分量,贝.Un=12 定义状态转移矩阵吼及量测矩阵风如下:对静止参考系: xk“29tXk+wk dt。Hkt+uk 9t:9: 其中五;是nxl第墨步的过程状态矢量;仇是 栉刀状态转移矩阵;代表由于噪声序列引 起的状态变量的离散时间变量,以协方差阵 Q来表达;或是第七步一维量测值;q是 lxn量测矩阵;魄是量测噪声序列,以变量 R表达。卡尔曼滤波迭代算法如下: M0…0 nI之间的谐波次数。这种情况下估计矢量Xt能够立即给出谐波分量波形(f为抽样时 间间隔)。 对旋转参考系: 初始化预测估计值x^--I和估计误差协方 巩=【c。

8(cola)8ill(础)…c。8(町删8in(刀/加)】 ,。:口:,为单位矩阵。这种情况下状态变差阵巧=I(五一xtx五一Xk)r LJ.量Xt代表了谐波的同相和正交分量。计算卡尔曼增益及更新估计值xt: 文【7】提出了基于更新序列和滤波器饱和 抑制技术的新型自适应卡尔曼滤波器,由仿 .器的有效性。该自适应滤波器具有动态追踪Xk=xt+墨(以一皿耳) 能力强,估计精度高,抗干扰性强的特点, 特别适合于作信噪比较小的谐波分量的动态 文【8】将卡尔曼滤波与离散傅立叶变换及.快速傅立叶变换在谐波检测的应用进行比 较,仿真证明卡尔曼滤波更加准确且对采样如果%和%为不相关的零均值高斯白 优化估计值。系统可以使用静止参考系或旋转参考系来表示具有时变幅值的状态变量。 第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集 2.3瞬时无功的Pq理论【4,5 将瞬时三相电压(“。,‰,“。)、三相电流(毛,‘,‘)变换到筇坐标系: 31一12o鱼 212压2则瞬时功率p和无功功率g表示为: 戮dq变换…21dq变换(也称park变换)是根据同步电机 数学模型的推导而来。通常根据同步电机的 双反应理论,把定子abe三相绕组经过适当 变换而等值成两个分别固定在dq轴上、并与 转子同步旋转的等值定子绕组,分别称为dq 绕组.而电网角频率与转子电角度同步, 若设t--0时,d轴和a轴重合,则有 I晓=Cot+120。

博亚体育app入口官网下载当三相电流为基波正序时,即定子三相 加基波正序电流,根据park变换,从d轴和 q轴上看,‘、fg是静止的定常量。因此在将P,g分解为直流分量和交流分量: 1O1历221压22黼什7,Lj瞬时无功的明理论应用于三相平衡系 统,且不能检测特定次谐波。 文Bo]利用瞬时电压建立了瞬时功率与 瞬时电流之间的虚映射矩阵,将瞬时无功的 w理论应用于三相四线系统,瞬时电流矢量 被正交分解为与有功功率及无功功率分别相 关的有功和无功电流。仿真证明对瞬时无功 的补偿不影响在系统中无能量存储的瞬时有 功电流,该方法能够有效补偿具有零序电压 的三相四线系统的中性线电流。 文【1l】提出在三相四线系统中定义p-q.r 旋转参考系来应用瞬时无功的阳理论,三个 坐标分别代表有功功率分量P和两个无功功 率q。及q,。该方法通过补偿瞬时无功来消除 中性线电流而不需要能量存储部件。 dq变换算法原理图Fig.2 dq transform algorithm 文[131从矢量分析角度出发,通过对三相 电网电压和电流矢量dq坐标系下进行投影变 换,实现谐波和无功的提取。补偿电流采用 预测电流控制,获得了较好的补偿特性和控 制精度。

对5kV有源滤波器和1 50kVA混合滤 波器的试验结果验证了所提出方法的可行性 和准确性。 文【14】提出一种基于dq旋转坐标变换的 .104. 第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集 改善的谐波检测方法,利用Saber进行敏感性 及Monte.Carlo仿真分析证明其有较高的精 度,并利用一个56kVA三相有源滤波器样机 验证分析结果。 3谐波检测方法的特点 传统的谐波分析方法如离散傅立叶变换 (Discrete Fourier Transform,DFT)或快速 傅立叶变换(Fast Fourier Transfornl,FFT) 由于其计算复杂性而导致时间延迟较长,滑 窗迭代离散傅立叶变换在输入新数据之后能 够较快更新输出值,因而更加适合于实时控 制。卡尔曼滤波能够对实时信号参数进行优 化估计。滑窗迭代离散傅立叶变换与卡尔曼 滤波都能检测特定次谐波,并且应用不限于 三相系统,不受系统失衡影响。pq方法由于 实时性强,在有源滤波方面得到了广泛的应 用,但是该方法在电压有畸变等情况下计算 的谐波电流与实际的谐波电流是有差别的, 且只能用于三相系统。利用dq变换的方法可 以精确地实时检测谐波电流。

文【4,5】指出在谐波检测应用中,卡尔曼 滤波与滑窗迭代离散傅立叶变换有相同的精 度及相近的收敛速度有源电力滤波器(apf)抗干扰技术,在有噪声出现时卡尔 曼滤波损失的精度较大。而瞬时无功的pq理 论的特性依赖于所使用的低通Butterworth滤 波器的截止频率.磊,在提高精度的同时收敛 速度降低,相对其他方法其精度较低但不受 噪声影响。滑窗迭代离散傅立叶变换在计算 上有很大优势,瞬时无功的pq理论的计算量 也很小,仅仅决定于Butterworth滤波器的阶 数,且在抽取的谐波分量数超过6个时计算 上优于滑窗迭代离散傅立叶变换。卡尔曼滤 波的缺点在于其模型必须考虑输入信号中的 所有谐波,尽管有时只需要测定某个特定次 谐波。在谐波补偿特性上,卡尔曼滤波有较 快的动态响应及收敛速度;瞬时无功的pq理 论在开始时响应较慢,之后能保持较快的响 应水平,滑窗迭代离散傅立叶变换相对于前 两者响应明显慢的多。文【6】指出dq变换具有 较快的响应速度及较小纹波,可以应用于电 压有畸变的场合,但由于使用高通滤波器 (}玎)F)而有较大的相位误差妨碍谐波的精 确补偿。可以通过加一个一阶低通滤波器 (LPF)使在抽取直流分量后保持谐波分量的 相位不变。

博亚体育app入口官网下载 至于应该选用那种谐波检测的方法来解 决问题,应该考虑到DSP的使用可以减轻计 算量的问题,同时对电压电流值的获取有利 于有源电力滤波器电路的保护及增强其性 能。有源电力滤波器电路的设计应主要考虑 畸变电流的特性,如主要谐波电流等级、变 化及系统存在的失衡。 4小结 谐波检测方法的精度及动态响应速度极 大影响到有源电力滤波器的性能,随着有源 电力滤波器在工业上进入实用阶段,越来越 多的讨论集中在使用哪种检测方法能够更好 的进行谐波抑制。本文归类介绍了有源电力 滤波器中常用的实时谐波检测方法、应用及 其各自特点,为有源电力滤波器的谐波检测 方法的选择提供了参考。 参考文献 【1】罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及 装备【M】.北京:中国电力出版社,2006. 【2】周柯,罗安,彭剑.基于滑窗迭代DFT 的电力谐波检测【J】.华北电力大学学报, 2006,33(3):27—30 【3】SrianthumrongS.;SangwongwanichS。 An active power filter harmonicdetection method based recursiveDFT 【J】.Harmonics And Quality Power1998.Proceedings.8th International Conference Volume1,14-16 Oct. 1998:127.132 【4】Sanae Rechkal主Ioi Ngandui,Jianhong Xu PierreSicard,Amalysis harmonicdetection algorithms activepower filters harmonicscompensation resonancedamping[J]. Can.J.Elect.Comput.Eng.,2003,28(1): 4l-51 【5】Sanae RechkaEloi Ngandui,Jianhong Xu PierreSicard.A comparative study harmonicdetection algorithms activefilters hybridactive filters[J].in Proc. .105. 第一届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集 2002 IEEE PESC Con£,Calms,Australia June 2002,V01.1:357—363. 【6】Lucian Asiminoaei,Frede Blaabjerg,Steffan HansenEvaluation HarmonicDetection Methods ActivePower Filter Application[J].Applied Power Electronics Conference Exposition2005.APEC2005.Twentieth Annual IEEE Volume 1,March 2005:635—641 【7刘冀春,李明.改进卡尔曼滤波器作动态 谐波估计【J】.四川电力技术,2005, B1 l:29.32 【8】Girgis,A.A.,Chang,W.B.,Makram,E…B Adigital recursive measurement scheme onlinetracking powersystem harmonics[J].Power Delivery, IEEE Transactions 011 Volume 6,Issue 3,July 1991:1153.1160 【9】叶忠明,董伯藩,钱照明.谐波电流的提 取方法比较[J】。

博亚体育app入口官网下载电力系统自动,1997,21 (12):21--24,40 【10]KimH.,Akagi有源电力滤波器(apf)抗干扰技术,H。The instantaneous power theory based mappingmatrices three—phasefour-wire systems[J].Power .106一 Conversion Conference.Nagaoka 1997., Proceedings Volumel,3-6 Aug. 1997:36I.366 1]HyosungKim, Akagi,H..The instantaneous power theory rotatingp-q—r reference frames[J].Power Electronics DriveSystems,1999. PEDS'99.Proceedings IEEE1999 International Conference Volume1,27—29 July 1999:422-427 v01.1 【12]唐蕾,陈维荣。有源电力滤波器三种电流 检测方法的深入探讨及仿真[J】.继电器, 2006,34(5):43-48 【13】郝瑞详,程志光,游小杰.一种新型有源 ~滤波器谐波提取方法和控制策略【J】.电 力系统自动化,2004,28(19):56.60 【14]Li Ma,Jinghai ZhouZhengyu Lu Zhaoming Qian.An Improved Harmonic Detecting Approach ActivePower Filter[J].Power Electronics MotionControl Conference,2000.Procedings. PIEMC 2000.The Third International Conference Volume3。15 18 Aug. 2000:1420.1424

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