馬 濤，俞孟蕻，張春來

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

一種基于 FBD 的改進(jìn)諧波檢測算法分析與研究

馬 濤，俞孟蕻，張春來

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為了快速、準(zhǔn)確地檢測出鉆井船供電系統(tǒng)中的基波和諧波電流，本文提出一種基于 FBD 的改進(jìn)諧波檢測算法。該算法利用移動窗算法取代傳統(tǒng) FBD 的低通濾波器（LPF），通過對正序電流畸變率和直流分量響應(yīng)時間 2 個指標(biāo)進(jìn)行分析，驗證改進(jìn) FBD 在諧波電流檢測的速度和精度。為了驗證改進(jìn)的算法在鉆井船電網(wǎng)工作狀態(tài)下的效果，本文加入了動態(tài)負(fù)載驗證改進(jìn) FBD 算法。利用 Matlab 在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)負(fù)載下對正序電流畸變率和直流分量響應(yīng)時間分別進(jìn)行仿真，根據(jù)實驗結(jié)果分析，表明算法具有良好的動態(tài)響應(yīng)、檢測精度高、易實現(xiàn)等特點。最后用改進(jìn)的 FBD 電流檢測配合 PR 控制方式對鉆井船復(fù)雜電力系統(tǒng)進(jìn)行補償，通過觀察諧波電流畸變率可知諧波電流補償?shù)男Ч炞C了改進(jìn) FBD 的可行性。

鉆井船；移動窗；動態(tài)負(fù)載；諧波檢測；電流補償

0 引 言

近些年來，我國石油開采發(fā)展迅猛，大量鉆井船用于海上石油的開采，鉆井船電力系統(tǒng)如何節(jié)能、高效、安全的運行變得尤為重要，因此對鉆井船電網(wǎng)質(zhì)量提出了更高的要求。鉆井船中電力電子設(shè)備的應(yīng)用導(dǎo)致電網(wǎng)引入了大量諧波電流，諧波會導(dǎo)致電氣設(shè)備不正常運行、網(wǎng)損大、繼電保護(hù)裝置的誤操作，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)諧振，沖擊著鉆井船的電力系統(tǒng)安全運行。因此需要了解鉆井船諧波電流的分布狀況，并且檢測出諧波電流，為諧波的抑制提供良好的理論基礎(chǔ)。

目前，常用的電流檢測算法有快速傅里葉（FFT）、PQ 法、ip-iq 法[1]。其中 FFT 計算復(fù)雜且實時性差[2]，PQ 法與 ip-iq 法由于需要 Park 轉(zhuǎn)換，計算量大，且在系統(tǒng)不對稱時有明顯的誤差。因此本文提出一種改進(jìn)基于 FBD 的算法適用于鉆井船電網(wǎng)的諧波電流檢測。

FBD 法是基于時域中的諧波電流檢測算法，沒有復(fù)雜的矩陣變換，原理簡單明了并且實時性好[2]。目前在其他電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但在鉆井船領(lǐng)域還沒有得到推廣。FBD 法中低通濾波器（LPF）對檢測精度及動態(tài)響應(yīng)速度起著決定性作用，很多國內(nèi)外學(xué)者對 LPF 問題研究探討[3]。本文以鉆井船電網(wǎng)為背景，提出了一種基于 FBD 算法的諧波電流檢測方法，用移動窗代替了 LPF，利用移動窗加法器求均值檢測出電流諧波。

1 FBD 法諧波電流實時檢測分析

FBD 法的根本理論：把電路中的各相負(fù)載用等值電導(dǎo)進(jìn)行等效，電路中的功率消耗都來自于等值電導(dǎo)，其他的能量沒有改變[4]。電力系統(tǒng)需要補償?shù)碾娏鞣至康扔诘戎惦妼?dǎo)的值與鎖相環(huán)（PLL）生成的參考電壓（式（1））之積[5]。在電流檢測環(huán)節(jié)電壓幅值不受限制，說明了電壓畸變對 FBD 的電流檢測不產(chǎn)生影響，因此該算法應(yīng)該在鉆井船復(fù)雜的電力系統(tǒng)中得到推廣，用于檢測出基波電流正序分量、負(fù)序分量以及零序分量（式（2）），從而對電流進(jìn)行有效補償。FBD 原理如圖 1 所示。

依據(jù)等效電導(dǎo)的分布，電力系統(tǒng)電流分成有功電流和無功電流兩部分（式（3））。如圖 1 所示，分界線上半部分檢測基波正序有功電流，分界線下半部分通過將參考電壓移向 90 °檢測基波正序的無功電流[5]，經(jīng)過 LPF，即可得到有功電流和無功電流相對應(yīng)的 2個直流電導(dǎo)分量Gp，Gq（式（4）），利用Gp，Gq與參考電壓相乘可得到基波正序有功電流（式（5））和無功電流（式（6）），再將兩者相加得到基波正序總電流（式（7）），諧波電流等于負(fù)載電流減去基波正序總電流[6]。

設(shè) PLL 生成的三相參考電壓：

電力系統(tǒng)中，各相電流由正序、負(fù)序和零序電流組成[5]。分別用下標(biāo) 1，2，0 表示。

三相有功電導(dǎo)分量GP（t）和無功電導(dǎo)分量Gq（t）分別為[5]：

經(jīng)過 LPF 得到有功電導(dǎo)直流分量GP和無功電導(dǎo)直流分量Gq分別為[5]：

式中：I11為正序電流幅值；φ11為a相電壓與基波正序電流夾角。

將經(jīng)過 LPF 輸出的GP與鎖相環(huán)產(chǎn)生的參考電壓相乘，即可得到三相基波正序有功電流分量為[5]：

同理，將經(jīng)過 LPF 輸出的Gq與鎖相環(huán)產(chǎn)生的參考電壓相乘，可得到三相基波正序無功分量為：

將式（5）和式（6）中的三相基波正序有功電流分量與無功電流分量加起來等于三相基波正序電流[5]：

最后用負(fù)載電流減去三相基波正序電流得到要補償電流分量，補償電流主要為諧波。該方法用于鉆井船中，可以有效的使系統(tǒng)進(jìn)行電流檢測，為電流補償提供保證[7]。

2 改進(jìn) FBD 的移動窗數(shù)據(jù)積分法

傳統(tǒng)的 FBD 算法能檢測出電力系統(tǒng)諧波電流，但LPF 會導(dǎo)致檢測的延時，電流通過 LPF 會產(chǎn)生幅值和相位的偏差。若負(fù)載電流的變化率較大，特別是對于鉆井船工況復(fù)雜的電力系統(tǒng)來說，由于 LPF 滯后，對諧波補償效果產(chǎn)生放大性的影響。

為了彌補延遲這缺點，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣特點，對算法進(jìn)行改進(jìn)，用移動窗積分代替 LPF。移動窗積分原理：假設(shè)在各個周期中采樣點為N，經(jīng)過一個T周期，將下一個周期的第一點覆蓋上一個周期的第一點[8]，使得每次采樣數(shù)據(jù)只更新一個，其余的N– 1 個數(shù)據(jù)不產(chǎn)生變化，數(shù)據(jù)區(qū)始終保持最新的N個數(shù)據(jù)使之不斷的循環(huán)，周期始終為保持一個周期。通過移動窗求出均值，算法見式（8），該算法原理簡單、時間短、精度高，且諧波在一個周期內(nèi)相互抵消，只留下直流分量，但其本質(zhì)上等于 LPF。移動窗結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

3 改進(jìn) FBD 算法仿真與分析

為了驗證改進(jìn) FBD 優(yōu)越性，本文用 Matlab 對算法進(jìn)行仿真研究。根據(jù)鉆井船負(fù)載特性，由于整流電路所產(chǎn)生的諧波占總諧波很大的比例，因此本仿真以三相全橋整流電路作為負(fù)載，此負(fù)載為典型非線性負(fù)載。仿真參數(shù)設(shè)定：三相交流電壓為 380 V，頻率 50 Hz。諧波源為三相整流電路，交流側(cè)電感性為 4 mH，電阻為 10 Ω。直流側(cè)電壓 800 V。

改進(jìn) FBD 算法是否有效，重要指標(biāo)為基波正序電流畸變率。改進(jìn)前后的基波正序電流分別見如圖 5 和圖 6，可以觀察出改進(jìn)后正序電流更接近正弦波[9]。通過直方圖觀察，改進(jìn)前后的基波正序電流畸變率分別為 0.45%（見圖 7）和 0.18%（見圖 8）。改進(jìn)前后的兩對比，量化的說明改進(jìn)后基波正序電流畸變率低，改進(jìn) FBD 算法得以驗證。

直流分量響應(yīng)速度也是一個重要指標(biāo)，在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，常規(guī) FBD 由于存在 LPF，得到直流分量延時較長（見圖 9），嚴(yán)重影響了檢測精度，改進(jìn)后有了明顯的改善（見圖 10）。將改進(jìn)前后電流直流分量響應(yīng)進(jìn)行比較（見圖 11），常規(guī) FBD（虛線部分）在 0.04 S 可得到直流分量，而改進(jìn)方法（實線部分）在 0.01 S可得到直流分量，進(jìn)一步證明改進(jìn)方法的有效性和快速性[9]。

根據(jù)鉆井船工作特性，對鉆井工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，在諧波源測并聯(lián)動態(tài)負(fù)載，用理想開關(guān)進(jìn)行控制，經(jīng)過 0.1 s 后加入負(fù)載。傳統(tǒng) FBD 仿真延遲時間較長為 0.02 s（圖 12 虛線），而本文算法仿真得到直流分量時間為 0.002 s（圖 12 實線）。通過對比，延遲時間明顯減少，響應(yīng)快，因此精確度從而得到改善。

為了驗證改進(jìn) FBD 算法在鉆井船中諧波抑制的有效性和優(yōu)越性，本文采用 PR 控制方式對抑制環(huán)節(jié)進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)與諧波檢測環(huán)節(jié)相同。鉆井船諧波補償前后電流的仿真波形（見圖 13），補償前電流畸變嚴(yán)重達(dá)到 30.83%（見圖 14），經(jīng)過 0.02 s 接通APF，補償后電流接近正弦波[10]，諧波畸變率為2.41%（見圖 16）。通過對諧波抑制環(huán)節(jié)的仿真，諧波畸變率有著質(zhì)的飛越，低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的 5%，證明了改進(jìn) FBD 算法可使鉆井船電力網(wǎng)諧波得到抑制，從而驗證改進(jìn)算法的有效性和優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

本文對 FBD 原理及公式進(jìn)行了研究和推導(dǎo)，針對LPF 的延遲問題，提出了利用移動窗積分法代替了傳統(tǒng)的 LPF。通過 Matlab 仿真分析基波正序電流畸變率和直流分量響應(yīng)時間，可以直觀地觀察出改進(jìn) FBD 提高了檢測的精度且加快了響應(yīng)的時間。根據(jù)鉆井船工作特性進(jìn)行動態(tài)負(fù)載研究，再一次證明了改進(jìn) FBD 的快速性和精確性。最后采用 PR 控制方式進(jìn)行諧波電流補償，得到了補償后的波形畸變率為 2.41%，達(dá)到了預(yù)期要求。驗證了本文方法在鉆井船電力網(wǎng)中良好的應(yīng)用前景，未來可在船舶電網(wǎng)中可進(jìn)行推廣，具有很好的工程實用價值。

[ 1 ]強學(xué)斌, 宋建成, 許春雨. 基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法的研究[C]//. 山西省電工技術(shù)學(xué)會2013學(xué)術(shù)年會, 2013.

[ 2 ]袁洪德. 基于瞬時無功功率理論的有源電力濾波器諧波和無功檢測的研究[D]. 天津: 天津理工大學(xué), 2015.

[ 3 ]宋洋. 電網(wǎng)諧波污染及電力系統(tǒng)的諧波電流檢測研究[J]. 黑龍江科技信息, 2013(14): 8–8.

[ 4 ]馬瑞軍, 王輝云, 常鮮戎, 等. DSTATCOM的新型高補償精度檢測方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2015, 27(10):62–68.

[ 5 ]黃知超, 蘇曉鵬, 李俊, 等. 一種改進(jìn)的FBD指令電流檢測方法研究[J]. 電測與儀表, 2015, 52(6): 33–38.

[ 6 ]葉明佳. 基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2012.

[ 7 ]姚建剛, 吳昊, 李曉海. 基于FBD任意次諧波電流檢測新方法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2014, 26(5): 27–32.

[ 8 ]楊浩, 葉明佳. dq坐標(biāo)變換的改進(jìn)型諧波和無功電流檢測法[J]. 電源技術(shù), 2014, 38(1): 103–105.

[ 9 ]龐健, 惠晶. 改良FBD法在諧波電流檢測中的應(yīng)用研究[J].電力電子技術(shù), 2012, 46(1): 63–65.

[10]戴珂, 劉聰, 李彥龍, 等. 并聯(lián)型APF對兩類非線性負(fù)載的諧波補償特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013, 28(9): 79–85.

An improved harmonic analysis and research detection algorithm based on FBD

MA Tao, YU Meng-hong, ZHANG Chun-lai
(School of Electronic and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

In order to detect the the fundamental and harmonic current quickly and accurately for drilling ship power supply system, this paper presents an improved algorithm of harmonic detection based on FBD. The algorithm use fully move window algorithm to replace the traditional FBD low-pass filter, ananysising two corenstrate that improved speed and accuracy in FBD harmonic current detection. In order to verify the effectof improved algorithm in drillship grid, but also showed good results, adding a dynamic load FBD demonstrate the improved algorithm. Use Matlab simulation experimentsin steady-state and dynamic loads on the positive sequence current distortion and DC componentssimulate each time,conclude that the algorithm has a good dynamic response, high precision, easy to implement and so on. Finally, the feasibility of improved FBD current detection with PR control mode for drilling rigs compenaste complex power system, we can see the improved effect by observing the harmonic current compensation harmonic current distortion improving verification of FBD.

drilling ship；move windows；dynamic load；harmonic detection；current compensation

U661

A

1672 – 7649(2017)09 – 0054 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.09.011

2016 – 06 – 24；

2016 – 07 – 08

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究資助項目(BY2013066-08)；江蘇高校高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心/江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院資助項目(HZ2015006)；江蘇省科技支撐計劃（工業(yè)）資助項目(BE2011149)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

馬濤(1992 – )，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。