基于積分組合的FBD諧波檢測法

羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

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基于積分組合的FBD諧波檢測法

羅 鵬,張 威,高貴亮

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,哈爾濱 150022)

常規(guī)電力濾波器諧波電流檢測方法利用鎖相環(huán)檢測電壓定向角,這樣在參數(shù)設(shè)計時會非常復(fù)雜,不利于工程應(yīng)用,除此之外,常規(guī)方法在濾波時還采用低通濾波器,它本身的固有延遲會造成系統(tǒng)實時性下降。為克服上述缺陷,在傳統(tǒng)FBD檢測方法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)方法。該方法在檢測過程中采用廣義積分器取代鎖相環(huán)檢測電壓相位,采用積分均值法取代傳統(tǒng)的低通濾波方式來濾除畸變電流中的諧波分量,與傳統(tǒng)方法相比,提高了電流幅值和相位檢測的精確性,縮短了響應(yīng)時間。同時,仿真實驗驗證了該方法的正確性和可行性。

FBD法;積分均值;廣義積分;諧波檢測;無鎖相環(huán)

FBD諧波檢測法與目前常用的瞬時無功檢測法相比,計算量顯著減少,且適用于單相和三相系統(tǒng)[1-3]。大量研究已經(jīng)證明FBD諧波檢測法與瞬時無功檢測法在檢測結(jié)果方面具有一致性[4]。但以上傳統(tǒng)方法的相似之處是都用到鎖相環(huán)檢測基波電壓相位,并且使用低通濾波器濾去交流分量,這樣就使得檢測的實時性下降,不僅如此,當(dāng)三相電壓畸變嚴(yán)重時還會造成基波相位提取不準(zhǔn)確,進(jìn)而影響到諧波和無功的檢測[5-6]。針對上述缺陷,本文提出將積分均值法和廣義積分原理應(yīng)用于FBD諧波檢測法,省去了鎖相環(huán)節(jié)和低通濾波環(huán)節(jié),簡化了傳統(tǒng)檢測方法。分別討論了積分均值方法中積分區(qū)間的選取問題以及廣義積分器不同增益下對諧波檢測的影響效果,通過MATLAB仿真證明了新方法適用于三相不對稱情況且具有更好的檢測精度和更快的動態(tài)響應(yīng)速度。

1 基于積分組合的FBD檢測方法

基于積分均值與廣義積分原理的諧波檢測方法如圖1所示。

1.1 基于廣義積分器的無鎖相環(huán)控制

圖1 基于積分組合的FBD檢測算法

對上述信號采用拉氏變換能夠得出

在網(wǎng)側(cè)頻率有小的變動Δω時,三種信號都會發(fā)生變化,其中電網(wǎng)信號會變?yōu)?/p>

e′(t)=Asin[(ω+Δω)t+φ]

那么會有

圖2 廣義積分器諧波檢測

從圖2可以看出,該過程中沒有鎖相和低通濾波環(huán)節(jié),這就省去了電壓運算,所以在電網(wǎng)畸變時提高了檢測精度。在廣義積分器所采用的閉環(huán)系統(tǒng)中,增益k取值不同時會對諧波檢測性能產(chǎn)生影響,分別取k=10和k=100分析系統(tǒng)檢測性能。采取不同k值所得到的頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 k=10和k=100的幅頻和相頻曲線

從圖3能夠發(fā)現(xiàn),當(dāng)f=50 Hz時,無論k取10還是100,系統(tǒng)增益都約為0 dB,也就是說明系統(tǒng)對正弦頻率為50 Hz的信號基本不衰減。進(jìn)一步分析k=10和k=100時系統(tǒng)的相頻特性發(fā)現(xiàn),后者的效果要優(yōu)于前者,檢測精度會隨著k的減小而增大,而響應(yīng)速度則會隨之變慢,因此為保證響應(yīng)的快速性,需要在滿足一定條件的情況下適當(dāng)增加k值。

1.2 基于積分均值法的濾波方式

在基波電流的提取環(huán)節(jié)中,改進(jìn)檢測方法采用積分均值法來代替低通濾波,以此濾去電網(wǎng)畸變嚴(yán)重時的諧波分量。設(shè)T是工頻周期,id、iq為dq變換后的有功與無功分量,那么電流可表示為

經(jīng)傅里葉級數(shù)展開后得

將有功電流與無功電流的交流部分都按其正余弦的方式展開,展開后個各諧波在各個周期內(nèi)的積分均值都為零,即

積分區(qū)間可根據(jù)實際情況設(shè)定,因為在實際中多用三相整流器,諧波電流次數(shù)多為6k+1次,依次為5、7、11次等。經(jīng)過變換后負(fù)序諧波會增加一次,正序諧波會減少一次,這樣可得到諧波變化的規(guī)律,進(jìn)而設(shè)置積分區(qū)間是基波周期的1/6。積分后可得到與基波分量對應(yīng)的直流分量,應(yīng)當(dāng)注意的是相應(yīng)區(qū)間的調(diào)整應(yīng)參照實際應(yīng)用中的諧波電流次數(shù)。

2 仿真分析

為了驗證積分均值法的濾波效果,將它與傳統(tǒng)方法采用的二階低通濾波器進(jìn)行對比,用三相橋式整流電路作為諧波源,相電壓為220 V,頻率f=50 Hz,R=8 Ω,L=2mH,并在經(jīng)過0.1 s后,電路參數(shù)變?yōu)镽=4 Ω,L=1 mH。將畸變電流經(jīng)dq變換后所得出的有功部分分別通過本文設(shè)計的積分均值模塊與低通濾波器模塊進(jìn)行比較,得到的濾波效果如圖4所示。

由圖4可知,將有功電流分別流經(jīng)兩種方法設(shè)計的濾波器的電流波形后,在三相電流對稱時,積分均值法在三相對稱電流穩(wěn)態(tài)情況下能較快濾除交流諧波分量,而在電流發(fā)生突變時也可以在較快時間內(nèi)跟上電流的變化(約1/6個周期),而低通濾波則需要花費大約一個周期的時間,經(jīng)過比較可知積分均值法濾波動態(tài)響應(yīng)更快。

圖4 積分均值法與LPF濾波性能圖

為了對改進(jìn)方法檢測的實時性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證,用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真?？紤]到實際應(yīng)用中,在負(fù)載變化的情況下,電網(wǎng)電壓幅值會產(chǎn)生波動,波動范圍一般在10%以下,在設(shè)置參數(shù)時,分別設(shè)置三相電壓為uA=129∠0°,uB=148∠-120°,uC=148∠120°,負(fù)載電阻R=8 Ω,負(fù)載電感L=1 mH。分別利用ip-iq法、傳統(tǒng)FBD方法以及改進(jìn)FBD檢測方法檢測出的基波電流如圖5所示。

圖5 三種方法下檢測出的基波電流

從圖5中能夠看出,在給定電路參數(shù)相同的情況下,相對于常規(guī)的ip-iq法和傳統(tǒng)FBD檢測法,改進(jìn)后的FBD檢測方法能夠更加迅速地跟上電流的變化,具有更快的響應(yīng)速度,并且在電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,三種方法在最終結(jié)果上一致。

為進(jìn)一步對基于積分組合的改進(jìn)FBD方法的檢測精度進(jìn)行驗證,給出了三種檢測方法下基波電流的FFT分析。負(fù)載電流FFT分析如圖6所示,常規(guī)FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖7所示,改進(jìn)FBD檢測方法檢測的基波電流在t=0.02 s～0.04 s的FFT分析如圖8所示。

圖6 負(fù)載電流FFT分析

圖7 常規(guī)FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

圖8 改進(jìn)FBD檢測方法下基波電流t=0.02 s～0.04 s的FFT分析

從圖6可知,在t=0.02 s～0.04 s內(nèi)對A相電流進(jìn)行頻譜分析之后發(fā)現(xiàn)電路主要存在6k±1次諧波,k=1,2,3,…,電流的基波分量有效值為32.55 A,諧波畸變率為28.76%。

從圖7可知,采用傳統(tǒng)的FBD檢測方法在第二個周期(t=0.02 s～0.04 s)所檢測到電流的畸變率是2.55%,而在之后的檢測中發(fā)現(xiàn)畸變率逐漸降低,最終在第四個周期內(nèi)穩(wěn)定為0.33%,從中分析出傳統(tǒng)方法在t=0.02 s～0.04 s時未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

從圖8可知,采用積分組合的改進(jìn)方法在t=0.02 s～0.04 s時電流畸變率是0.12%,經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方法不僅響應(yīng)速度快,而且在檢測精度上也要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié) 語

本文提出了一種基于積分組合的FBD改進(jìn)方法,該方法用廣義積分器對基波電壓正序分量進(jìn)行提取,省去了鎖相環(huán),簡化了傳統(tǒng)FBD檢測算法;用積分均值法取代傳統(tǒng)的低通濾波方式,提高了響應(yīng)速率。同時,仿真結(jié)果也證明了該改進(jìn)算法能用于三相電壓不對稱時的諧波和無功檢測,與傳統(tǒng)方法相比實時性更好,精度更高。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

FBD harmonic detection method based on integral combination

LUO Peng, ZHANG Wei, GAO Guiliang

(School of Electrical &Control Engineering, Heilongjiang University of Science &Technology, Harbin 150022, China)

The conventional method uses phase-locked loop to detect the voltage orientation angle, by which the parameters are very complicated to design, leading to bad effects in engineering applications.Besides, the low pass filter adopted, which has an inherent delay lowering the real-time while filtering.In order to overcome the above shortcomings, this paper proposed the improved method on the basis of the traditional FBD method.It is a method that replaces the phase-locked loop by the generalized integrator to detect voltage phase, and the traditional low pass filter by the integral average method to remove distortion harmonic and to extract the DC component.Compared with the traditional method, the improved method makes the detection of the current amplitude and phase more accurate with the shortened response time.The simulation results verify the correctness and feasibility of the improved method.

FBD method;integral average;generalized integral;harmonic detection;non phase-locked loop

2016-04-24。

羅 鵬(1992—),男,碩士研究生,研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

TM935

A

2095-6843(2016)05-0439-04