三相三线制并联型有源电力滤波器的设计与研究.docx

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1、三相三线制并联型有源电力滤波器的设计与研究摘要随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非线性和时性电子装置大规模地应用，造成电能质量恶化。电力有源滤波器以其优越的补偿性能，已成为电力电子技术领域的研究热点之一。而其中并联型有源电力滤波器过去和将来都将占据重要地位。本文重点研究三相三线制并联电压型有源电力滤波器。有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制。实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提。目前有多种谐波与无功电流检测方法，其中，基于瞬时无功功率理论的检测法是三相系统中应用最为广泛的一种方法，包括适用于对称无

2、畸变电网的p-q法及适用于不对称有畸变电网的ip-iq法和d-q法。补偿电流的控制方法是实现有源电力滤波器功能的核心环节，它负责控制有源电力滤波器产生预期的补偿电流。本文详细分析了并联型有源电力滤波器的控制策略，包括补偿电流跟踪控制和直流侧电压控制。通过分析和比较滞环控制、三角波控制和基于空间矢量的电压控制方法，最后确定补偿电流跟踪控制选用三角波比较控制法和滞环控制方法。最后,为了验证所提出的检测方法和控制方法的正确性，本论文用MATLAB6.5/SIMULNIK下的电力系统模块Simpowersystems Blockset对整个三相三线制并联电压型有源电力滤波器系统进行了仿真研究。仿真结果

3、表明本文所设计的滤波器可以很好的滤除谐波，完成抑制谐波的作用。 关键词:有源电力滤波器;谐波与无功电流检测:补偿电流控制;三角波比较和滞环控制；仿真The design and research of Three-phase and three-wire System Shunt Active Power FilterAbstractWith the development of modern industrial technology，a large number of nonlinear loads in power systems to increase. Various nonline

4、ar and time-scale application of electronic devices, caused power quality deterioration . Active power filter with its superior compensation performance. has become one of hot Research focus on power electronics technology area.The thesis mainly considers three-Phases and three-wire system shunt act

5、ive. power filter. The two key technologies are harmonic and reactive currents detection ,and compensation currents control.Exact and real-time detection of the instantaneous variable harmonic and reactive current in power system is the premise for compensation of active power filter. At present，the

6、re are many detection methods concerning harmonic and reactive current，in which，the method based on instantaneous reactive power theory is used widely in three-phase system than others，and it consists of p-q detection method applied to symmetry power system without distortion，ip- iq detection method

7、 and d-q detection method applied to asymmetry distortion power System. Control method for compensation current is the key tache to accomplish the various functions of active power filter to establish the anticipative compared current. This paper analyzes the parallel active power filter control str

8、ategy, Including the compensation current tracking control and DC voltage control. Through analysis and comparison of hysteresis control, triangular wave control and space vector-based voltage control. Finalize the compensation current tracking control method used and the triangular wave comparison

9、control method of hysteresis control.Finally, to verify the proposed detection method and control method is correct. Under this thesis, the power system with MATLAB6.5/SIMULNIK Simpowersystems Blockset blocks on the whole three-phase three-wire shunt active power filter system voltage conducted a si

10、mulation study. Simulation results show that the designed filter can filter out harmonic well, the completion of the role of harmonic suppression.Key word: Active Power Filter; Harmonic and reactive current detection; Compensation current control; Triangular wave comparison and hysteresis control; S

11、imulation第一章 电网谐波的实际问题电力系统中三相桥式整流器的使用极为广泛,由此引起的谐波电流也成了人们日益关注的问题。安置滤波器是减小谐波电流的有效措施 , 然而多数滤波器的设计要求对整流器所产生的谐波电流进行计算。三相不可控整流器的电路图如下图所示：图1.1 三相不可控整流电路上述电路中取相关参数如下表所示：表1.1 三相不可控整流电路的相关器件参数器件名称XsXLXdXcRdId参数值0.11610.14721.19184.11080.51190.1306对上表所取的参数，下面对谐波电流进行计算。为表达方便 , 采用了标幺值数据形式,基波电流与电抗分别定义为: （1.1）式中P0

12、为整流器额定输出功率。直流侧 n 次谐波电流以其有效值与平均电流 Id0的比值表示; 交流侧次谐波电流以其幅值与基波电流幅值的比值表示。交流侧电流波形畸变率计算到v=25 （1.2）其中直流侧电流计算公式为： （1.3）式中 Id0 直流分量Id n , n n 次谐波电流的幅值及相角 （1.4）Ed0 整流输出电压的直流分量：（1.5）交流侧谐波电流的计算公式可由直流侧导出，。由于三相电流对称 , 所以只需计算 a 相电流。 （1.6）式中： （1.7）公式1.7中： （1.8）式中为换流起始角偏移量，换流重叠角，可由下式计算得到： （1.9） 次谐波电流幅值及相角分别为： (1.8)结合上

13、述相关公式和表中相关数据可得整流电路的整流谐波电流的计算值，如下表所示：表1.2 整流谐波电流的计算值谐波次数K5=0,K7=0,Kv=0a5=0, a7=0;(v11)K5=0.0248,K5=0.0066, Kv=0；a5=24.9, a7=24.39;(v11)K5=0.0679,K5=0.0272, Kv=0；a5=22.9， a7=20.13;(v11)计算结果直流侧61.641.912.23120.230.280.38180.070.080.10交流侧520.0320.1920.34712.0212.1212.52116.917.107.76135.575.825.83173.32

14、3.573.88192.592.852.22231.551.772.13THD25.4225.7926.40针对上述整流器产生的谐波电流，本文设计了下文所介绍的三相三线制有源电力滤波器用于补偿该整流器产生的谐波电流，提高公用电网的电能质量。第二章 绪论2.1有源电力滤波的产生、发展及现状随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非线性和时性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而替代了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为主要的谐

15、波源。电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低了人们的生活质量。世界各国已经十分重视电能的质量的管理。谐波治理是电能问题的核心内容之一，也是现代电力发展的迫切要求。谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。同时滤波器又主要包含无源滤波器和有源滤波器两大类。无源滤波器仅可对特定谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器的个数均是有限的，所以对于谐波含量丰富的场合，无源滤波器滤波效果往往不够理想。为了达到更好的滤去电网谐波的目的，我们在电网中引入了有源

16、电力滤波器。有源电力滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1971年，日本H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提供了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方式，从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率

17、可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型电力半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相APF中得到了成功的应用，极大的促进了APF的发展。1982年第一台APF在日本投入运行，1986年H.Akagi提出并联有源滤波器消除谐波，APF在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，1987年，Nnkeda等人提出用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器方案，在这种

18、电路中有源滤波器仍起谐波补偿的作用，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这种有源滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐波通道 ;1988年，FZPeng等人提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗，因此电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网;1900年，日本的H.Futjita等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的综合有源滤波方案，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一定的基波无功补

19、偿，而有源滤波器则起改善无源滤波特性的作用，这样，以极小容量的有源滤波器就可以弥补无源滤波器的一些固有缺陷;1994年，H.Akagi等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波系统，串联有源电力滤波器将电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源滤波器，同时阻止电源谐波电压流入负载端，并联有源电力滤波器提供一个零阻抗的谐波支路，使得负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压4。现在APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善，其中在日本，已经投入使用的APF从50KVA到60MVA，功率范围越来越宽，从

20、谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。目前，有源滤波器已经用在提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节，电压波动抑制，电压平衡改善以及谐波和无功补偿等问题。尽管我国近年来也有较大容量的有源电力滤波器研制成功，比方说清华大学研制的10MVA的APF，但由于我国工业基础较薄弱，电力电子工业和世界先进水平相比差距还较大，总体而言，有源电力滤波器的研究还处于理论探讨和实验小规模研究过程中。2.2 有源电力滤波器的发展趋势从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器(APF)具有如下的发展趋势：(1)通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。

21、(2)当前APF的成本相对较高，从经济上考虑，可以采用APF与LC无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小APF的容量，达到降低成本、提高效率的目的。同时，随着大量换流器用于变频调速系统运用了大量换流器，以及半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，其价格必然下降，混合型APF低成本的优势将逐渐消失，而串并联APF由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。(3)在装置技术上主要需要解决如下问题: 降低装置的价格、 降低装置的价格、简化控制系统、多功能化、降低损耗和提高系统的可靠性，包括过压、过流等保护技术，故障诊断技术及电磁兼容技术的研究和开发。2.3

22、本章小结 本章介绍了有源电力滤波器的产生、发展及现状以及发展趋势。第三章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构3.1 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器根据其与电网连接的方式不同，分为并联型和串联型两种，并联型滤波器在实际中应用较广。由于本文采用的是并联型有源滤波器，下面就以并联型有源滤波器为例，介绍其工作原理。图3.1为最基本的并联型有源电力滤波器系统结构图。从结构上来看，有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成)。其中指令电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据

23、指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电路产生补偿电流，并注入到电网中，以达到消除谐波和无功电流的目的。 il非线性负荷指令电流运算电路PWM控制电路PWM逆变器驱动电路icudis 电源APF 图3.1有源电力滤波器原理框图如图3.1所示并联型有源滤波器的基本工作原理是:通过电压和电流传感器检测补偿对象(非线性负载)的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令信号，再经PWM控制信号单元将其转换为PWM指令，控制逆变器输出与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，最终得到期望的电源电流。其中如图3.1所示，电源电流is由负载电流il和有源滤波器的输出电流

24、共同组成。负载电流又可分解为基波分量和谐波分量之和。而基波分量又可分为基波有功分量和基波无功分量之和。这样负载电流可表示为基波有功分量、基波无功分量和谐波分量之和。如果控制有源滤波器的输出电流和谐波分量相等，那么电源电流中就只剩下基波电流了，这样就达到了抑制谐波的目的。上述原理可以用一组公式来表示： （3.1）简言之，并联型有源滤波器相当于并联在电网上的受控电流源，它实时检测负载电流中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向相反的补偿电流，使流入电网的谐波电流基本为零。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿谐波电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性分量即可，使得

25、补偿电流与负载电流中的谐波及无功分量相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。公式表达如下:） （3.2）3.2有源电力滤波器的分类 从不同的角度出发，APF有不同的分类方法，根据用户使用的电源类型是直流电源还是交流电源，APF可分为直流APF和交流APF;根据接入系统的相数不同，APF分为单相APF和三相APF;根据主电路的形式不同，APF分为单个主电路型和多重叠加主电路型;根据直流侧储能元件的不同，APF又分为电压型和电流型;根据APF和电网连接方式的不同，APF分为并联型、串联型、串并联型，这是目前对APF分类的主要方法，其中串联型和并联型又可以继续细分为不同的类型，如图3.2所示:

26、与LC滤波器串联与LC滤波器混合使用有源电力滤波器串并联型并联型串联型单独使用两段电容LC串联谐振式单独使用与LC滤波器并联电感和电容式LC并联谐振式与LC滤波器混合使用注入电路方式与旋转电机并用图3.2 APF的分类3.3 有源电力滤波器的基本结构 无论有源电力滤波器如何分类，它都由几个共同的部分构成即谐波检测环节、控制系统、主电路几个主要的部分构成。3.3.1谐波检测环节谐波检测是有源电力滤波器非常关键的一环，对于谐波的快速检测方法我们将在下一章进行具体讨论，这里主要介绍检测环节的构成及设计中的关键问题。图3.3是谐波检测环节的原理框图。预处理预处理采样保 持A/D转换微处理器CTPT图3

27、.3 APF谐波检测结构框图 电压与电流互感器用于APF的电压互感器PT与电流互感器CT，与一般用于电力系统继电保护与测量的PT与CT有一定的区别，即该PT与CT要求精度较高，要求精度0.2级以上，线性度好。其次要求PT与CT具有快的响应特性，一般要求信号延时在10s以下。最后要求PT、CT能测量直流信号。对于接在系统侧的PT和CT，可以不需要测量直流信号，但对于接在APF装置上的PT和CT，一定要能测量出直流电压和电流分量，否则在控制过程中装置的性能可能难以达到要求。满足上述要求的PT和CT，一般是基于霍尔效应的电压电流测量模块。接在电网侧用于检测系统谐波电压或谐波电流的PT和CT，安装位置

28、也要根据实际情况选择，如图3.4所示谐波检测应该互感器安装在电网的谐波源侧，以避免因APF补偿而影响谐波的变化。APF谐波电流源谐波电压源APFPT图3.4谐波检测互感器安装位置的选择 预处理环节一般的预处理环节，是将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号，并进行适当的滤波与放大。互感器输出的信号经过转化环节变成电压信号，而由于实际中总存在一定的高频噪声，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小。由于APF对谐波信号的延迟非常敏感，因此预处理环节的延时必须很小，否则将影响谐波补偿的效果。为此要求预处理环节的延时为微秒级，如小于10s。因为现在APF的器件开关频率很高，如有的达20

29、kHz，则开关周期为50s，因此一旦预处理环节延时超过10s，会影响整个APF的谐波跟踪及补偿效果。 采样保持与A/D转换APF对谐波信号的时间同时性要求比较高，因此一般情况下应该对所需要的信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入的信号进行采样。将采样的信号保持起来，然后可以分别进行A/D转换，将模拟量转换为数字量。由于APF对信号频率范围及精度的检测有较高的要求，因此应该根据滤波器对谐波补偿的要求确定采样保持的频率及A/D转换的速度。按照采样定理，信号的采样频率必须为信号频率的2倍以上才能复原该信号，实际中为了获得较好的效果，一般要求采样频率为信号频率的4倍以上才能较好的

30、得到该信号。例如如果电力系统要求补偿谐波的最高频率为21次谐波，则信号的采样频率最好在4x21x504200HZ(以上)。同时A/D转换的精度应该满足要求，通常在12位以上。3.3.2 控制系统 有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。APF的控制系统主要由模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制及数字控制系统。 APF控制系统一般由控制算法和触发脉冲产生两个部分组成，如图3.5所示。其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字

31、信号进行处理，并与APF产生的谐波比较，根据其差值采用一定的控制方法，产生适当的驱动脉冲信号给触发脉冲发生部分。由于微处理器的能力很强，能够完成APF所需要的谐波检测，并产生所需补偿的参考谐波信号，而如果采用模拟电路则非常繁琐，算法与参数的调整也很不方便，因此APF这一部分一般采用微处理器来实现。开关器件驱动板控制算法处理部分触发脉冲发生部分变流器图3.5 有源电力滤波器的控制系统所谓的数字模拟混合控制系统，通常是在获取参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪并产生控制有源电力滤波器所需的PWM脉冲。与数字电路相比，采用模拟芯片来实现一般的谐波跟踪和PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。

32、图3.6为APF中经常采用的一种数字模拟混合控制系器的模拟部分。其中参考电流信号有微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。+比较器三角波发生电路PI-+PWM驱动信号icicr-ic 图3.6 APF中的模拟控制部分所谓数字模拟混合控制系统，通常是在获取参考谐波信号之后，通过模拟电路实现谐波跟踪并产生控制APF所需的PWM脉冲。因为与数字电路相比，采用模拟芯片来实现一般的谐波跟踪(通常为比例积分PI控制)和PWM脉冲控制具有更快的速度和分辨率。但随着微电子技术的快速发展，通过专门电路或可编程逻辑器件产生PWM脉冲已经非常方便，而且在速度和分辨率方面有了显著的提高，因此APF的控制系

33、统已经逐步变成纯数字控制系统。由于DSP芯片本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP就可以实现APF的控制系统，其结构如图3.7所示。DSP控制芯片 PWM脉冲发生开关器件驱动板APF交流器图3.7 基于单DSP的APF的控制系统目前，为了满足有源电力滤波系统控制实时性要求，工程应用中大都采用双DSP或DSP+FPGA(现场可编程逻辑阵列)的数字化控制方案，其结构如图2.8所示。基于双DSP的APF可以完成复杂的控制算法，产生精确的控制脉冲;同时，该方法灵活简单，只需要修改程序即可以改变脉冲发生器的功能，有很好的通用性。这种控制系统的结构如图3.8所示。DSP算法控制器液晶显示及控制面

34、板单片机DSP脉冲发生器双口RAM开关驱动模块双口RAMA/D图3.8 基于双DSP的APF控制系统3.3.3 主电路 由于本文主要是研究基于电压源变流器的主电路结构。按照电力系统应用需要一般可以分为三相三线制结构和三相四线制结构两种.电压型APF效率高，初期投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，适用于电网级谐波补偿.图3.9所示的电压型APF直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本不变，可看作电压源，但为保持直流侧电压不变，需对该电压进行控制，电压型APF交流侧输出电压为PWM方波。图3.9 三相三线结构电压型APF3.4 三相并联型电压型有源电力滤波器的基本原理并联型有源电力滤波器的系统框

35、图如图3.10所示(电感、电容等电路元件均包含在主电路中),其工作原理为:指令电流运算电路在检测到负载电流后,通过运算把负载电流信号中的谐波电流、无功电流及负序电流和零序电流检测出来,然后把这些电流信号转换成相应的变流器触发信号,再通过电流跟踪控制电路形成触发脉冲去驱动变流器,使变流器产生的电流为上述电流之和,极性相反,再回注入电网,则电网中的谐波电流、无功电流、负序电流和零序电流被抵消为零,只剩下基波有功正序电流。电源非线性负载指令电流源算电路电流跟踪控制电路主电路驱动电路图3.10 并联型APF的系统框图其中APF的补偿电流是由主电路中的直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生

36、的。主电路的工作情况是由主电路中6组开关器件的通断组合所决定的，特定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式。通常，同一组的上下两组开关总有其中的一个器件是导通的。假设三相电压之和，并且由本文所设计的电路可得可得下述微分方程： （3.3）式中、为主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压; 、为刀开关系数，+=0，、的值与主电路工作模式之间的关系如表21所示。工作模式序号工作模式开关系数1通通通-2/31/31/32通通通1/3-2/31/33通通通-1/3-1/32/34通通通1/3-2/31/35通通通-1/32/3-1/36通通通2/3-1/3-1/3表31主电路开关模式与开关系数由基尔霍夫定理

37、可得： （3.4）其中 -指令电流; -并联型APF产生的实际补偿电流。有源电力滤波器主电路中开关器件的通断，是由采样时刻和的极性决定的。以A相为例，应该使Ka0当0时，而 0时，应该使Ka0，从而使得减小，达到补偿电流跟随指令电流变化的目的。因为十+=0，所以、中绝对值最大的一个总是与其他两个方向相反。前者所对应的开关系数不是2/3就是-2/3。相反地，后者所对应的开关系数不是1/3就是-1/3。这说明跟随偏差最大的一相所受的控制作用最强，这样各项之间偏差的不平衡总呈现出减弱的趋势。3.5 本章小结 本章主要介绍了有源电力滤波器的基本原理、基本结构以及其控制系统、主电路的结构，同时介绍了并联

38、型APF的基本原理以及主电路的导通方式。第四章 三相并联电压型有源电力滤波器的设计4.1 系统总体结构 本文所设计的有源电力滤波器的系统结构框图如下图所示，主要由三大部分组成：主电路部分、电流电压检测部分、DSP控制部分。图4.1 并联型APF系统结构下面对图4.1中的主要部分做简单介绍： 负载部分：负载是一个产生谐波电流的三相不可控整流桥式电路，整流桥的直流侧为阻性负载。由于这部分电路不是系统设计的主要任务，主要是用来说明非线性负荷的存在。所以本文不对其进行专门的设计。电流采样电路：取得补偿前后电网上的电流数值及补偿的电流数值；电压采样电路：取得直流侧电容两端的电压数值；电压过零检测电路：用

39、于检测电网电压由负变正的过零点，作为补偿电路的同步触发信号；DSP及其外围电路：这是APF运算电路的组成部分，用于分析电网谐波电流并输出控制信号；IPM隔离、驱动及保护电路：这是APF驱动电路的组成部分；4.2 谐波检测系统 迄今为止，己有多种谐波检测方法被提出。如:基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法、基于FFT的谐波电流检测方法、基于-变换的谐波检测方法、基于同步检测法的谐波检测方法以及基于人工神经元网络的谐波检测方法等。下面对常用谐波检测方法特点进行分析，并介绍本文所采用的谐波检测方法。 4.2.1 基于FFT的谐波检测方法 为了快速检测电流波形中的谐波，人们已经发展了很多方法，如基于傅立

40、叶分析的方法来检测谐波和无功电流。该方法及其衍生的方法是建立在快速傅立叶分析(FFT)的基础上，此方法要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大误差。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行FFT分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，再进行FFT反变换，合成出总的谐波和无功电流。该方法的优点是方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种情况。但缺点是需要测得一个周期的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间的延迟，检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。并且，该法也无法检测出无功分量

41、。4.2.2 于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法 赤木泰文最初提出的瞬时无功功率理论亦称p-q理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础，此后经不断的研究逐渐得到了完善。基于瞬时无功功率理论的检测法现已包括法-法和d-q。p-q法应用最早。适用于三相对称且无畸变的公用电网；-法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效; 基于同步旋转park变换的d-q法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。基于瞬时无功功率理论的检测法具有较好的实时性，在三相电路中得到了广泛的应用，但其使用的乘法器多、计算量大，调整困难，难以保证检测精

42、度，而且不能用于单相电路。目前该方法在三相APF的电流检测方法中占据了主导地位。假设三相电路中的电压和电流瞬时值分别为、和、。采用变换矩阵，将它们变换到-两相正交坐标上有:令 ( 3.1)则三相电流、电压信号可以变换为-坐标系中的相量，即 (3.2) ， (3.3)图4.2 坐标系中的电压和电流矢量在图4.2中的坐标系中，将、与、分别合成为电压矢量u和电流矢量i,如式3.4： （4.4）式中，u、i 别为矢量、的幅值；e、i分别为矢量、的相角。三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流，分别为矢量在矢量及其法线上的投影。即 (4.5)式中，为相量和相量之间的夹角，=e-i三相电路瞬时有功功率p(或瞬时

43、无功功率q)为电压相量的模与三相电路瞬时有功电流 (或三相电路瞬时无功电流)的乘积，即: (4.6)将式3.4、3.5以及=e-i代入3.6，可得以下矩阵表达式： （4.7） 其中 将4.1、4.2、4.3代入4.7可得：p、q对于三相电流的表达式: （4.8）由4.8可知，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础乘相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流都是正弦波的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，所以不仅适用于正弦波，还适用于非正弦波和倒可过度过程的情况。其实，从以上各定义来看，瞬时无功功率理论中的概念，在

44、形式上和传统理论非常相似，可以看成是传统理论的推广和延伸。基于瞬时无功功率理论的检测法，在检测无功电流时，可以无延时地检测出结果;而在检测谐波电流时，由于被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但最多不超过一个周期。对于电网中最典型的谐波源，如三相桥式整流器，其检测延时约为1/6周期，具有很好的实时性。4.2.3 p-q检测法 该检测方法的框图如图4.2所示。图中上标-1表示矩阵的逆。 p-q检测法根据定义计算出p、q，再经低通滤波器得到p、q的直流分量、。由于当电网电压无畸变时，为基波有功电流与电压作用产生, 互为基波无功电流与电压作用产生，故通过p、q的直流分量、便可

45、以检测出电流、的基波分量与、与: （4.9）最后将、与、与相减，便得到、的谐波分量、。如图4.2所示。当APF同时用于补偿谐波和无功功率时，就需要同时检测出谐波和无功电流。在这种情况，只需断开图4.3中计算q的通道即可。这是，由p的直流分量即开检测出基波的有功分量f、为：图4.3 p、q运算方式的原理图 (4.10)将、与f、相减，即可得出、的谐波分量、和基波无功分量之和。当电网电压有畸变时，采用p-q算法会使得计算所得到的谐波电流与实际的谐波电流之间存在差别。4.2.4 ip-iq电流检测法根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式为： =（4.11） 其中 由上式可得出电流检测法原理如图4.4所示：4.4 -检