一種諧波和無功電流檢測的新算法

作者：電源技術應用華中科技大學電氣與電子工程學院宋琦萬山明黃聲華時間：2005-05-11 來源：

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摘要：分析了并聯有源濾波器的基本工作原理，提出了一種諧波和無功電流檢測的新算法，對此作了詳細的理論分析。此檢測算法不需要鎖相環(huán)，能準確檢測出負載電流中諧波及無功分量。對這種檢測算法用MATLAB進行了仿真，并在以TMS320F2407DSP為控制核心的實驗裝置中對這種檢測算法作了具體實現，仿真結果和實驗結果均證實了這種檢測方法的可行性。

    關鍵詞：有源濾波器；諧波；無功電流

引言

    隨著電力電子技術的發(fā)展，電力電子裝置的應用越來越廣，但是其產生的諧波對電網的污染，以及電磁干擾等，也帶來了危害。另一方面，現代用電設備對電能質量更加敏感，對供電質量提出了更高的要求。而有源濾波器可以消除諧波，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，其研究和應用越來越受到人們的重視。

    有源濾波器消除諧波的基本原理主要有兩種：一種是向電網注入與負載的無功和諧波電流大小相等、方向相反的電流來補償無功和抑制諧波，稱為并聯型有源濾波器；另一種是向串聯變壓器副邊注入基波補償電流，使串聯變壓器對電網基波電流呈低阻抗，對諧波電流呈高阻抗[1]，從而抑制諧波，這種方法稱為串聯型有源濾波器。另外，還有串并聯型、混合型等。但是，無論采用哪一種，首先都必須將諧波和無功電流的值檢測出來。目前比較成熟的電流檢測方法主要有基于瞬時無功功率理論[2]的pq檢測法[3]和ipiq檢測法[4]。但這兩種方法須進行兩次坐標變換，計算量較大，其中ipiq檢測法需要采用鎖相環(huán)，而鎖相環(huán)存在實現復雜，檢測精確不高的問題。

    本文研究了一種諧波和無功電流檢測的新算法，并給出仿真結果和實驗結果。

1 諧波和無功電流檢測方法的原理

本文引用地址：http://2s4d.com/article/5881.htm

圖1是并聯型有源濾波器的系統(tǒng)框圖，其基本原理是：通過檢測環(huán)節(jié)計算出負載的諧波和無功電流，然后控制逆變電路輸出，向電網注入與負載的無功和諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網電流中只含有基波有功分量。這樣，該裝置既可以實現對諧波的濾波作用，又可以提供電力系統(tǒng)所需的無功電流，便可大大提高電能利用率，提高經濟效益。本文提出一種新的諧波和無功電流檢測算法，圖2為負載諧波和無功電流的檢測原理圖,圖中虛線框內為直流側電壓控制部分。如圖2所示，首先檢測出實際負載電流和電網電壓，對這6個量進行計算即可得到所需的三相負載諧波和無功電流。

為簡單起見，假定電網電壓三相對稱、無畸變，則

負載電流iA，iB，iC可以表示為基波與諧波之和，即

考慮到負載不對稱，將電流分為正序、負序、零序，則基波電流為

iA1=i1＋sin(ωt－φ)＋i1－sin(ωt＋θ1－)＋i10

iB1=i1＋sin(ωt－φ－2π/3)＋

i1－sin(ωt＋θ1－＋2π/3)＋i10

iC1=i1＋sin(ωt－φ＋2π/3)＋

i1－sin(ωt＋θ1－－2π/3)＋i10 （3）

式中：i1＋，i1－，i10為基波正序、負序、零序分量的幅值；

φ為功率因數角；

θ1－為基波負序的初始相位。

諧波電流也分為正序、負序、零序，k次諧波電流可表示為

式中：ik＋，ik－，ik0為k次諧波正序、負序、零序分量的幅值；

θk＋及θk－為諧波正序、負序的初始相位。

三相有功功率的瞬時值p可由式（5）得到。

式（5）包含直流和一系列諧波分量。諧波頻率最低可達100Hz，經過低通濾波，功率中的諧波分量可以濾去，只剩下穩(wěn)態(tài)值p（3UMi1＋cosφ/2），其中i1＋cosφ就是基波正序電流有功分量的幅值。對于A相，基波正序電流有功分量iA1有=i1＋cosφsinωt。由式（6）可以得到

同理可以得到其他兩相基波正序電流的有

功分量iB1有=i1＋cosφsin(ωt－2π/3)，iC1有=i1＋cosφsin(ωt＋2π/3)。

從實際負載電流iA，iB，iC中減去以上得到的基波正序電流的有功分量iA1有，iB1有，iC1有，即可得到負載諧波和無功電流，以此作為三相逆變器輸出的補償電流指令。

另外，有源濾波器運行中應維持逆變器直流側電壓Ud的恒定。圖2中虛線框中表示的是直流側電壓控制部分。如圖2所示，將給定值Ud＊與實際檢測值Ud的差輸入PI調節(jié)器，輸出乘以實際直流測電壓Ud，結果作為有功的增量ΔP。將ΔP疊加到圖2中低通濾波器的輸出，使iC＊中有一定的基波有功電流，使逆變器直流側電容從交流側獲得能量，補償有源濾波器的運行功耗，從而使Ud穩(wěn)定在給定值Ud＊。

2 仿真和試驗結果

采用MATLAB中的SIMULINK模塊對這種檢測算法進行仿真，仿真結果如圖3所示。由仿真波形可知該檢測算法計算出的基波有功電流同電網電壓完全同相位，且為標準正弦，這說明檢測出的諧波和無功電流是完全準確的。

實驗樣機容量設計為6kW，電壓為三相380V，負載為電機和不控整流橋?？刂撇糠忠訲I公司的DSP芯片TMS320S2407為核心，諧波及無功電流檢測以及PWM脈沖信號的產生都由相應的軟件實現。

軟件中主要涉及到的功能模塊有：事件管理器、A/D轉換模塊、中斷服務程序。用T1定時器定時啟動A/D轉換，對電網電壓、負載電流、電網電流和直流側電壓依次采樣，設定采樣頻率為10kHz。A/D轉換完成后產生ADC中斷，在中斷服務子程序中實現算法,計算出諧波及無功電流即補償電流指令。其中，低通濾波器采用截止頻率為20Hz的二階Butterworth濾波器。電流控制方法采用三角載波調制法，將補償電流指令與實際的補償電流相比較，差值送入數字PI調節(jié)器，PI調節(jié)器的輸出與高頻三角載波進行調制，由PWM模塊產生6路PWM控制信號，其中三角載波由定時器實現，頻率為10Hz。

將6路PWM控制信號送至驅動電路，最終通過IGBT產生相應的補償電流注入電網。整個系統(tǒng)的仿真結果、實驗結果如圖4及圖5所示。

實驗和仿真有類似的結果。由圖5系統(tǒng)實驗波形可知，實際負載電流中含有大量的諧波及無功分量，電網電壓由于負載影響有部分畸變。經過補償，電網電流基本為正弦，且與電壓同相位。

3 結語

本文提出的這種新的電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測算法可以檢測出包括基波無功電流、零序電流、負序電流及諧波電流在內的所有有害電流。仿真與實驗結果驗證了這種檢測算法的正確性和可行性。這種算法不需要鎖相環(huán)，不需要進行矩陣變換，具有計算準確，實現簡單的特點LPC900系列微控制器橋接人機界面，為日常應用提供低功耗的小巧解決方案。

隨著消費者不斷地將科技融入日常生活，亞洲的生產商不得不在他們的系統(tǒng)中采用經濟型的解決方案，以吸引這塊細分市場。為滿足市場需求，皇家飛利浦電子公司日前推出了價格低廉的微控制器LPC935，售價不高于2美元，特別內嵌了2個模/數轉換器。

LPC935是LPC900系列新出的9款微控制器中的旗艦芯片，通過2個模/數轉換器，能同時在兩個通道（共有8個通道）轉換和讀取數據，例如可以同時讀取電壓和電流的測量結果，以便設計員進行實時數據分析。這些LPC935轉換器能在不到4μs的時間內對這些信號進行轉換。

LPC395系列成本只及競爭產品的幾分之一，是為各種家用設備如咖啡機、洗衣機、智能玩具等設計的，橋接人機界面，能完成模擬和數字計算領域之間的模/數、數/模轉換。

每一款新出的LPC900微控制器，包括LPC904、LPC915/6/7、LPC924/5和LPC933/4/5，都精簡了外部元件，采用微型的集成封裝，使亞洲的設計師和生產商可以靈活地選擇使用模/數轉換，或高速數/模輸出。通過LPC系列的模/數、數/模轉換功能，這些公司在印制電路板上就不再需要使用單獨的模/數、數/模轉換器。這些新微處理器還能提供定義數據邊界的功能，它能限定在哪個數值范圍產生中斷，這樣CPU可以有更多的時間去處理其他的任務。

LPC900系列基于能以12MHz頻率在167ns內執(zhí)行指令（比傳統(tǒng)的80C51提高了600％）的高性能處理架構，應用了字節(jié)可擦除閃存技術，以加強靈活性和改進性能。LPC900有一個實時時鐘（RTC）和三個16位計數器，增強了計時功能。另外還提供了串行通信信道，如400kHz字節(jié)寬的I2C總線，增強型UART和SPI。靈活的電源管理功能還可以延長手持應用設備的電池壽命。

2 仿真和試驗結果

實驗樣機容量設計為6kW，電壓為三相380V，負載為電機和不控整流橋。控制部分以TI公司的DSP芯片TMS320S2407為核心，諧波及無功電流檢測以及PWM脈沖信號的產生都由相應的軟件實現。

將6路PWM控制信號送至驅動電路，最終通過IGBT產生相應的補償電流注入電網。整個系統(tǒng)的仿真結果、實驗結果如圖4及圖5所示。

3 結語