郭鹤翔， 智泽英， 吴英

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.国网临汾供电公司 调控中心，山西 临汾 041000)

电网电压畸变时谐波电流检测方法研究

郭鹤翔1， 智泽英1， 吴英2

(1.太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024；2.国网临汾供电公司 调控中心，山西 临汾 041000)

电网电压畸变状态下锁相环难以提供准确相位信息，影响谐波电流检测的精度，低通滤波器的存在会影响谐波检测的实时性。针对这些问题提出了一种改进的谐波电流检测方法，用正弦幅值积分器替代锁相环，从畸变电压中提取基波正序电压在电压畸变时仍能精确检测出谐波电流并用固定周期内的积分模块代替低通滤波器，降低了检测的时延，通过MATLAB仿真证实了方法的正确性和有效性。

电压畸变；谐波检测；FBD法；正弦幅值积分器；延时

0 引 言

随着现代技术的发展，各种先进设备以及精密仪器对电能质量的要求越来越高，由于非线性电力电子器件的存在，谐波问题在所难免，治理电能质量问题的补偿装置得到广泛的发展。有源电力滤波器、动态电压恢复器、统一潮流控制器、统一电能质量调节器等一系列电力系统网侧补偿装置可实现各类电能质量问题的综合治理。这些装置实现补偿电能都是建立在对补偿量精准、快速检测的基础上。本文提出一种改进的FBD(Fryze-Buchholz-Dpenbrock)谐波电流检测方法，检测电路简化，不存在复杂坐标变换，可减少资源投入，实现电压畸变状态下谐波电流的检测。通过Simiulink进行仿真，验证了改进后的检测方法检测谐波电流的快速性，该方法用于有源电力滤波器的补偿效果较好。

1 谐波电流检测方法

电力系统网侧的电能质量调节装置[1-2]通过跟踪补偿检测得到的补偿指令电压或指令电流，实现电压和电流的调整控制，因此检测环节是电能质量调节装置的重要组成部分。

目前对谐波电流的检测[3]使用较多的方法是基于时域的瞬时无功功率检测方法，包括在正交的两相坐标系内分析的两相瞬时功率理论和在三相坐标系内分析的三相瞬时功率理论，它们代表性的谐波检测方法分别是ip-iq法与FBD法。

ip-iq谐波电流检测法原理图如图1所示。

图1 ip-iq法谐波电流检测原理图

此法中，通过锁相环提取a相电压的相位信息，通过正余弦发生电路得到与ua同相位的sinωt和cosωt，由定义可计算出ip、iq：

(1)

ip-iq法在有源滤波装置上的应用比较广泛，但也存在自身的缺点，检测过程需要四次坐标变换，电压畸变时，相位检测环节须提供准确相位产生正余弦函数，这对锁相环[4]性能要求较高，检测电路复杂，通常包含复杂坐标变换与低通滤波器，使谐波检测的快速性受到影响，一般锁相环检测出的补偿量误差较大，通过有源滤波器进行补偿后补偿效果较差，电流总畸变率高，且达到稳定补偿的暂态过程较长。

FBD法是基于三相的瞬时功率理论，原理是假设电路的负载均为理想的电导元件分别串接于三相， 功率都无损失地消耗在等效电导上，电流包含谐波分量与无功分量时，只需提取等效有功电导与等效无功电导的直流分量，分别乘以同相位电压，得到基波电流的有功分量与无功分量，两者之和与负载电流相减可以得到谐波分量，其原理框图如图2所示。

图2 FBD法谐波电流检测原理框图

参考电压可通过直接测量电网电压得到，如果电压畸变，检测得到的补偿量不具有参考性；通过锁相环提取单相的相位信息，由正余弦发生器构造单位三相交流电压作为参考电压去计算谐波电流，在三相三线制系统中不含零序电流，负载电流可表示为：

(2)

式中Ian、Ibn、Icn为n次谐波电流的幅值，φan、φbn、φcn为n次谐波电流的功率因数角，下标1，2分别表示正序电流、负序电流。

等效有功电导为：

(3)

等效无功电导为：

(4)

由FBD法原理可知，此法实现谐波和无功电流检测的结构简单，没有坐标变换，就快速性较ip-iq法更好。两种方法的共同之处是都需要锁相环提供单相的相位信息，都需要通过低通滤波器得到直流分量，在电网电压畸变状态下仍存在检测不准确与延时问题。

2 改进谐波电流检测方法

针对ip-iq法和FBD法存在的缺点，对现有检测方法进行改进：以FBD法计算电路为基础，不再通过锁相环加正余弦发生器产生参考电压信号，而是通过构造多通道正弦幅值积分器[5]，直接从畸变的电压中提取出基波电压[6-7]，并作为计算谐波电流的参考信号，这种基波电压提取单元类似于陷波器，但检测的快速性比陷波器好，不存在滤波器；不再通过低通滤波器滤除有功电导的交流分量，而是通过对有功电导的一般表达式进行分析，根据正余弦量在周期内的积分值为零的原理，消除交流分量得到直流分量。改进后的检测原理图如图3所示。

图3 改进谐波电流检测原理框图

图4 正弦幅值积分电路

基波电压的获取原理类似于陷波器，即在复合信号中提取出希望得到的固定频率的正弦信号，但本文中提取基波电压的结构不同于陷波器，将三相电压变换到αβ坐标系下作为输入，对正弦信号的幅值进行积分，实现对正弦信号的无静差跟踪，其结构图如图4所示，可得到传递函数为：

(5)

由传递函数可得到频率特性，在角频率ω处幅值达到最大，在此ω=50 Hz，而ω以外的频率均被衰减，因此对系统特征次谐波分别构造对应中心频率的积分单元，可以实现对不同信号的提取，在此只需提取出基波电压，用于谐波及无功电流的计算。

对于低通滤波器存在的弊端，用特定周期内的积分单元消除交流分量，在快速性与精确性都较低通滤波器得到提高。对等效有功电导的一般表达式进行分析，发现正序电流与负序电流作用于等效有功电导，表现为正序电流的谐波次数减一，而负序电流的谐波次数加一，而电力系统中的三相整流装置，其负载电流以6k±1次谐波为主，并且6k-1次谐波表现为负序，6k+1次谐波表现为正序，依照前述规律等效电导交流量频率分布为6k次，则最大周期为T/6，由于正余弦量在周期内积分为零，那么对等效有功电导进行T/6延迟积分，可以得到其直流分量。将改进后的方法与不同截止频率的低通滤波器进行仿真对比，结果如图5所示，使用低通滤波器获取等效电导直流分量时，截止频率低时响应速度慢，动态过程长；截止频率高时稳态直流分量存在波动；通过积分消除交流分量的方法，负载变化时，快速性与稳定性均得到提高。

图5 等效电导直流分量仿真对比

3 仿真分析

对改进的谐波电流检测方法通过Simiulink进行仿真分析，将改进的检测方法与ip-iq谐波电流检测法、FBD法分别应用于有源电力滤波器进行补偿，采用相同的PWM控制策略，对达到稳定补偿的时间、电压畸变状态下补偿后电源电流总谐波畸变率进行对比。三相三线制系统线电压为220 V，谐波源为带阻感负载的三相桥式整流电路，负载电阻值为10，电感值为1 mH；仿真时间为0.2 s，通过三相可编程电压源在0.1 s注入电压谐波，以单项为例进行分析，补偿前电源电流的波形图如图6a，应用ip-iq谐波电流检测法、FBD法、改进的检测方法进行谐波检测，并通过有源电力滤波器进行补偿，补偿后电流波形如图6所示。

图6 补偿前、后单相电源电流波形图

补偿前电源电流的电流总畸变率在0.1 s之前为24.72%，0.1 s电压畸变后电源电流谐波总畸变率为24.84%。对补偿后的电源电流进行频谱分析，补偿后的电流谐波总畸变率与达到稳定补偿的时间如表1所示。

在电压无畸变状态下，三种谐波电流检测方法用于补偿电源电流的结果差别较小，采用改进的检测方法达到稳定补偿的时间最短，而在0.1 s后电压畸变状态下，ip-iq谐波电流检测法无法锁定电压的相位信息，补偿效果差，采用改进的方法补偿后效果最佳。通过仿真比较，验证了改进后的谐波检测方法实现谐波电流检测的快速性得到提高，在电压畸变的状态下仍可以准确检测出谐波电流，补偿后电流质量最佳。

表1 电源电流补偿结果

4 结束语

本文对谐波电流的检测方法进行了分析，针对检测存在的快速性较差、电压畸变时谐波检测失准的缺点，在FBD法基础上进行了改进，通过对低通滤波环节的改进，提高了检测的快速性，通过对参考电压获取环节的改进，实现了在电压畸变时检测谐波电流的准确性，通过仿真进行对比，改进后谐波检测方法的快速性准确性得到验证。

[1] 王兆安,杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998.

[2] 姜齐荣，赵东元．有源电力滤波器--结构、同步信号的检测[J]．仪器仪表学报，2010，31(1)：78-84．

[3] 吴秋艳，王宏华．统一电能质量调节器并联测APF谐波检测技术[J]．电力电子技术，2012，46(1)：66-69．

[4] 田桂珍，王生铁，林百娟，等．电压不平衡时风电系统中基于双同步变换锁相环设计[J]．电气传动，2010，40(7)：53-57．

[5] 刘延东．基于正弦幅值积分器的单同步坐标系同步信号提取策略[D]．重庆，重庆大学，2014.

[6] 周晴，毛亚辉，赵永彬.改进的无锁相环无低通滤波器的谐波检测方法[J]．电测与仪表，2012，49(2)：27-31.

[7] 周鹏，贺益康．电压不对称且谐波畸变时基波电压同步信号的检测[J]．仪器仪表学报，2010,31(1)：78-83．

A Study on Harmonic Current Detection Methods in Case of Grid Voltage Distortion

Guo Hexiang1, Zhi Zeying1,Wu Ying2

(1.Department of Electronics and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan Shanxi 030024, China;2. Regulation and Control Center, State Grid Linfen Power Supply Co., Linfen Shanxi 041000, China)

In case of grid voltage distortion, the phase-locked loop can hardly provide accurate phase information, a problem which affects the precision of harmonic current detection. Existence of the low-pass filter will affect the real-time performance of harmonic detection. In such background, this paper puts forward an improved harmonic current detection method by which the phase-locked loop is replaced with a sinusoidal amplitude integrator, and fundamental positive sequence voltage is extracted from distorted voltage, so that harmonic current can be detected accurately even in case of voltage distortion. Furthermore, an integral module of a fixed period is used in place of the low-pass filter to reduce time delay of the test. Results of MATLAB simulation verify the correctness and validity of this approach.

voltage distortion; harmonic detection; FBD method; sinusoidal amplitude integrator; time delay

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.027

TM761

A

1000-3886(2017)04-0092-03

定稿日期: 2016-12-12

太原科技大学研究生科技创新项目(20151009)

郭鹤翔(1991-)，男，山西襄汾人，硕士生，研究方向为电能质量分析与控制。