李 琳　孙金龙

(西安石油大学钻机控制重点实验室， 西安 710065)



一种无锁相环的ip-iq法的谐波检测方法

李 琳孙金龙

(西安石油大学钻机控制重点实验室， 西安 710065)

摘要：有源电力滤波器是对电力系统中谐波和无功功率补偿的重要装置，其关键环节之一就是能够实时准确地检测出谐波电流。在介绍传统的基于三相瞬时无功功率的ispan-ispan法基本原理的基础上，指出其检测到的基波电流出现误差的原因是由于电网的电压与其正序电压存在相位差。针对该问题提出一种无锁相环的ispan-ispan法，通过对称分量法提取电网电压的正序电压，最后用MATLAB仿真软件搭建仿真模型进行验证。

关键词：ispan-ispan法； 谐波检测； 对称分量法； 三相电压不对称； 无锁相环

如今治理电力谐波污染的有效工具之一就是有源电力滤波器，而能否实时准确地检测出谐波电流是决定补偿效果的关键环节[1]。

目前主要的谐波检测方法有自适应检测法、Fryze功率定义的检测法、基于频域分析的FFT检测法、基于三相瞬时无功功率理论谐波检测法[2-3]。基于三相瞬时无功功率的谐波检测法优点较多，是应用比较广泛的谐波检测方法[4-5]。本次研究基于三相瞬时无功功率理论的传统检测法，提出了基于对称分量法的无锁相环的ip-iq检测方法。该方法采用基波电压正序分量和移相算子相结合的方式获取同步旋转信号，省去了锁相环及相关电路，并减小了因为三相不对称电压而导致的正序基波有功电流或无功电流的检测误差。

1传统ip-iq检测法

1.1基本原理

图1　传统ip-iq法的运算方式原理图

图1中：

1.2误差分析

在三相不对称时，锁相环(PLL)检测到的是a相电网电压，而非a相正序电压相位，两者存在相位差[4]。设a相电网电压与其正序电压相位差为θ，则锁相环实际检测到的正余弦信号为sin(ωt+θ)和cos(ωt+θ)，根据ip-iq法得:

(1)

断开iq通道可以得到三相基波有功分量：

(2)

由式(2)推导可知：在三相电压不对称系统中，由传统ip-iq法计算出的三相基波有功电流分量与实际有功电流不同。在实际日常生活中三相电压不对称的现象普遍存在，导致用a相电压得到的sinωt和cosωt函数来计算的基波有功电流必然会存在误差。本次研究提出的一种基于对称分量法的ip-iq谐波检测方法，能够实时分解出三相电压的正序分量，从而减小该误差。

2基于对称分量法的ip-iq检测法

首先使用对称分量法计算电压信号中的正序电压，再用同步参考坐标法得出与正序电压相位一致的同步旋转信号。用同步旋转信号u代替传统ip-iq法中通过锁相环(PLL)所得到的正余弦值，其原理框图如图2所示。

图2　对称分量法原理框图

以a相电压为例，对称分量法可以描述为:

(3)

将式(3)转化为：

(4)

同理可得b相、c相正序电压：

(5)

将式(5)得到的ua(1)、ub(1)、uc(1)，采用同步参考坐标法进行运算，得到正序电压分量相位相同的同步旋转信号uα(1)和uβ(1)。

(6)

(7)

由式(7)得到的三相电压正序分量的旋转信号替代传统ip-iq法中得到的正余弦信号，即可更精确地检测出三相基波有功电流瞬时值。

3仿真分析

图3　三相三线制电压电流波形

图3a中因为三相电压不对称，可以看出ua的相位不是从相角0开始的，而是相差了一个相角θ，由图4a可知采用传统的ip-iq法检测得到的正余弦波形只与ua的相位有关，而不是准确的ua的正序分量相位。而在图4b中通过对ip-iq法的改进，得到的正余弦波形在0时刻从0开始，正如所设置的ua正序分量初始相位为0°。

图4　正余弦函数波形图

图5中虚线波形为传统ip-iq法得到的a相基波电流，实线波形改进ip-iq法得到的a相基波电流。通过波形对比可知传统ip-iq法由于受相位差θ的影响，所得波形的相位和幅值都产生了误差，而改进的ip-iq法则减少了误差。

4结语

通过分析传统ip-iq谐波检测法出现误差的原因，提出一种基于对称分量法的无锁相环的改进方法。经过仿真实验分析：在三相电压不对称的情况

图5　a相基波电流波形图

下，该方法能精确检测出三相基波正序有功电流，从而减小检测误差，提高有源电力滤波器的补偿性能。

参考文献

[1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波机制和无功功率补偿[M].第2版.北京:机械业出版社,2006:245-249.

[2] 张庆,曾正,杨野吟.有源电力滤波器谐波检测方法综述[J].化工自动化及仪表,2011(3)：245-251.

[3] 李圣清,朱英浩,周有庆,等.电网谐波检测方法的综述[J].高压电技术,2004(3):39-42.

[4] 马大铭,朱东起,高景德.三相电压不对称时谐波和无功电流的准确检测[J].清华大学学报,1997(4):7-10.

[5] 丁菊霞,张华俊,张秀峰.基于平均值理论的无锁相环三相电路谐波电流检测方法[J].电测与仪表,2010(5):43-47.

A Harmonic Detection Method Using ip-iqNon-phase-locked Loop

LILinSUNJinlong

(Key Laboratory of Drilling Machine Control, Xi′an Petroleum University, Xi′an 710065, China)

Abstract:Active power filter is an important device in power system harmonics and reactive power compensation, and one of the key aspects is the ability to accurately detect real-time harmonic currents. On the basis of the principles of the traditional three-phase instantaneous reactive power of ispan-ispanmethod, this paper pointed out that the stated reasons for its fundamental currents detected error is due to the presence of voltage and its positive sequence voltage grid phase. Thus it also proposed a ispan-ispanmethod without PLL to solve this problem with the help of the extraction grid voltage positive sequence voltage by symmetrical components, and finally built a simulation model with MATLAB simulation software to verify it.

Key words:ispan-ispanmethod; harmonic detection; method of symmetrical components; three-phase voltage unbalanced; non-phase locked loop

文献标识码：A

文章编号：1673-1980(2016)01-0103-04

中图分类号：TM935

作者简介：李琳(1963 — )，男，教授，研究方向为电气控制。

基金项目：陕西省科技攻关计划项目“电动钻机动力系统动态补偿技术的开发”(2010K01-107)

收稿日期：2015-09-29