李文江，姜波，劉尹霞

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105）

1 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，工作在非線性條件下的各種功率器件得到廣泛應(yīng)用。 由于電力電子裝置的非線性和多樣性特點(diǎn)，大量的諧波和無功電流注入電力系統(tǒng)，造成系統(tǒng)效率變低，功率因數(shù)變差，并對其他設(shè)備和裝置產(chǎn)生擾動，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的電能質(zhì)量和用戶設(shè)備的安全運(yùn)行。 有源電力濾波器能夠?qū)χC波、無功和負(fù)荷不對稱等進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，且其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，可以避免無源濾波器可能引起的寄生振蕩等問題。 研究有源濾波控制策略和特性，對有源濾波在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用具有十分重要的意義[1]。 電力有源濾波器是補(bǔ)償電力系統(tǒng)中諧波及無功功率的重要裝置，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)時準(zhǔn)確地檢測出諧波電流。 由于d-q 坐標(biāo)變換的諧波電流檢測方法不受電壓影響，并能應(yīng)用于負(fù)荷電流不對稱的情況。 文中提出基于d-q 的改進(jìn)型諧波檢測算法。

2 改進(jìn)型id-iq算法的提出

基于id-iq算法的諧波檢測原理如圖1所示[2]。

圖1 改進(jìn)的id-iq算法原理框圖Fig.1 Modified id-iqalgorithm block diagram

圖1中輸入的不對稱非正弦三相電壓表達(dá)式為[3]

式中：ea，eb，ec為三相非正弦電壓；ia，ib，ic為三相非正弦電流；E 為電壓幅值；I 為電流幅值； ω 為基波角頻率；φ 為初相角；k 為諧波次數(shù)；+，-，0為正、負(fù)、零序；γ=2π/3。

先對電壓進(jìn)行α-β 變換

然后將eβ滯后90°得eβ1，進(jìn)一步運(yùn)算得eαβ1，

eαβ1是eα的正序分量，將eαβ1經(jīng)鎖相環(huán)和正余弦發(fā)生器后形成矩陣C，即

然后對電流進(jìn)行α-β 變換及d-q 變換，得：

由三角函數(shù)的正交性可知[5]，id，iq做積分或經(jīng)過低通濾波器可得直流分量：

3 仿真驗(yàn)證及分析

為驗(yàn)證本文提出算法的可靠性，現(xiàn)對理想與畸變電網(wǎng)電壓分別在Matlab 環(huán)境中進(jìn)行仿真，負(fù)載[6]為三相三線制非線性不可控整流橋。 理想電源電壓與三相負(fù)載電流波形圖如圖2、圖3所示，改進(jìn)算法后測得的電壓電流波形如圖4所示。

圖2 理想三相電源電壓波形Fig.2 The ideal three-phase power waveforms

圖3 三相負(fù)載電流波形Fig.3 Three-phase load current waveforms

圖4 A 相基波正序電壓與基波正序有功電流Fig.4 A-phase fundamental positive sequence voltage and current fundamental positive sequence active

經(jīng)比較可發(fā)現(xiàn)，該算法在理想電壓情況下能夠正確獲得基波正序有功電流，因?yàn)槠涮崛‰娏髋cA相基波正序電壓同相位。 且通過斷開iq支路的方法，傳統(tǒng)id-iq算法也能獲得準(zhǔn)確的基波正序有功電流。

在畸變電網(wǎng)電壓中，仿真波形如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 非理想三相電網(wǎng)電壓Fig.5 Non-ideal three-phase voltage waveforms

圖6 A 相基波正序電壓與ip-iq算法斷開iq支路后提取的基波正序電流Fig.6 A-phase fundamental positive sequence voltage and phaseip-iqiqslip off after the algorithm to extract the fundamental positive sequence current

圖7 改進(jìn)算法檢測到的基波正序電壓與基波正序有功電流Fig.7 Improved algorithm to detect the fundamental positive sequence voltage and fundamental positive sequence active current

從圖5中可以看出波形中含有大量諧波，從圖6中可以看出，傳統(tǒng)的id-iq算法不能獲得三相基波正序電壓準(zhǔn)確的相位信息，導(dǎo)致電流波形與電壓波形有較大的相位差。 從圖7可看出，改進(jìn)后的算法在電網(wǎng)電壓不對稱的情況下也可以檢測到基波正序有功電流和基波正序電壓的同相位。

從以上分析可以看出，本文所提出的檢測方法在電源電壓畸變的情況下能準(zhǔn)確地檢測出基波正序有功電流。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)理論知識設(shè)計了150 kV·A 并聯(lián)混合型有源電力濾波器[7]并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。 其參數(shù)如下：相電壓220 V，直流側(cè)電壓90 V，諧波源為三相不可控6 kW 整流橋接80 Ω 電阻的非線性負(fù)載并聯(lián)電容組，參數(shù)為電容473 pF、電感7 mH、電阻1.1 Ω，截止頻率為10 次諧波，IGBT 開關(guān)頻率為15 kHz；交流電壓互感器VN=380 V，IN=2×10-3A。 調(diào)試所得波形如圖9～圖11所示。

圖8 并聯(lián)混合型有源電力濾波器Fig.8 Parallel hybrid active power filter

圖9 諧波電流和補(bǔ)償前A 相電流波形Fig.9 Harmonic current and A-phase current waveforms before compensation

從圖9可知：補(bǔ)償前電網(wǎng)電流存在著3，5，7，9，11 次等高次諧波，而偶次諧波含量較小。

圖10 補(bǔ)償指令信號和實(shí)際補(bǔ)償電流波形Fig.10 Compensation command signal and the actual compensation current waveforms

從圖10可知：實(shí)際補(bǔ)償電流能較好地跟蹤指令電流的變化。

圖11 直流側(cè)電壓和補(bǔ)償后A 相電流波形Fig.11 DC voltage and A-phase current waveforms after compensation

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)型的id-iq算法在該實(shí)驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證，能夠較好地濾掉電網(wǎng)諧波，對電網(wǎng)起到了改善作用。 而且APF 運(yùn)行時的直流電壓也比較穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于id-iq改進(jìn)型算法的諧波檢測方法，并進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 改進(jìn)后的算法與傳統(tǒng)id-iq算法比較，其可以準(zhǔn)確地檢測到基波正序有功電流或基波正序電流； 在復(fù)雜電壓條件下能夠?qū)崿F(xiàn)包含諧波和基波無功的綜合補(bǔ)償提供合理的參考指令電流；對任意次諧波電流或其有功（無功）電流分量進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償提供了依據(jù)；而且計算復(fù)雜度明顯降低。

[1] 馬莉，周景海，呂征宇，等.一種基于dq 變換的改進(jìn)型諧波檢測方案的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2000，20（10）：55－58.

[2] 孫朋敬，郝瑞祥，游小杰，等.有源電力濾波器的預(yù)測電流控制方法研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（2）：27－29.

[3] 陳宇，王碧芳，劉會金.基于模糊控制的有源電力濾波器控制方法[J].繼電器，2005，33（16）：40－45.

[4] 孫馳，魏光輝，畢增軍.基于同步坐標(biāo)變換的三相不對稱系統(tǒng)的無功與諧波電流的檢測[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（12）：43－48.

[5] 陳東華，謝少軍，周波.用于有源電力濾波器諧波和無功電流檢測的一種改進(jìn)同步參考坐標(biāo)法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25（10）：62－67.

[6」 薛文平，劉國海.基于同步參考坐標(biāo)變換的改進(jìn)型諧波檢測法[J].電力電子技術(shù)，2006，40（1）：47－49.

[7] 李庚銀，陳志業(yè)，丁巧林.用于有源補(bǔ)償器的廣義瞬時無功電流實(shí)時檢測方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，1997，21（10）：28－31.