三种谐波电流检测方法的比较研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第４期　２００８年７月　中国测试技术　ＣＨＩＮＡ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ＆ＴＥＳ￣ＮＧ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．４　Ｊｕｌｙ　２００８　三种谐波电流检测方法的比较研究　韦　炜　，赵晓瑛２，邵　军　，王安娜　（１．西安文理学院机械电子工程系，陕西西安７１００６５；２．中国飞机强度研究所，陕西西安７１００６５；　３＿西安理工大学机械与精密仪器工程学院，陕西西安７１００４８）　摘要：谐波电流检测方法有许多种，针对目前多数文献只对某一算法的性能进行研究，并未对多种算法进行稳态　和暂态性能进行综合性能比较。该文对基于瞬时无功功率法、自适应法和单位功率因数（Ｕｎｉｔｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ，ＵＰＦ）　法三种检测方法进行了仿真研究，并给出了稳态和暂态状态下谐波检测的仿真验证。ＭＡＴＬＡＢ仿真结果表明，在三　种算法中　、　法的稳态滤波的稳定性最好，而单位功率因数法的综合性能最好。　关键词：谐波；检测；瞬时无功功率；自适应；单位功率因数　中图分类号：ＴＭ９３３．１３；ＴＭ９３４．１１４　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４９８４（２００８）ｏ４—０ｏ２６一ｏ４　Ｃｏｍｐａｒａｓｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ＷＥＩ　Ｗｅｉ　，ＺＨＡＯ　Ｘｉａｏ—ｙｉｎｇ２，ＳＨＡＯ　Ｊｕｎ　，ＷＡＮＧ　Ａｎ－ｎａ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉ’ａｎ　７　１００６５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ａｉｒｃｒａｆｔ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｘｉ’ａｎ　７　１００６５，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅｒｅ　ａｌ＇ｅ　ｍａｎｙ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｍｏｓｔ　ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅｍ　ｏｎｌｙ　ａｎｄ　ｓｅｌｄｏｍ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｏｓｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｓｔｅａｄｙ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｓｔａｔｅｓ．　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｆｏｒ　ｔｈｒｅｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ．ｉ．ｅ．ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ｓｅｌｆ—ａｄａｐｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ＵＰＦ　（Ｕｎｉｔｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ）ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｂｏｔｈ　ｓｔｅａｄｙ　ｐｌｕｓ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｗｉｈ　ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩｔＭＵＬＩＮＫ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｌａｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｓｕｌｔｒｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ　ｗａｖｅ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　、ｉｑ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＵＰＦ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅ；Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ；Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔａｔｉｏｎ；ＵＰＦ　１　引　言　并联型有源电力滤波器性能的好坏与它所采　用的谐波电流检测方法有很大的关系。因此，如何　快速准确地检测出负载电流中的谐波电流是并联　型有源电力滤波器的关键技术。目前，并联型有源　电力系统中非线性负荷和大功率负载的频繁　投切使电网中谐波干扰日益严重，电力谐波治理已　经成为一个广泛关注的课题。　并联型有源电力滤波器（Ｓｈｕｎｔ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　电力滤波器谐波检测主要有基于瞬时无功功率理　Ｆｉｌｔｅｒ，ＳＡＰＦ）以其独特的优点已成为谐波治理的有　效手段，它通过检测负载侧电流，提取谐波分量，再　利用脉宽调制（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）逆变　器产生ＰＷＭ波，经低通滤波器（Ｌｏｗｅｒ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ，　ＬＰＦ）滤除开关纹波后并入电网，从而产生与负载谐　波电流大小相等相位相反的补偿电流注入电网，抵　消负载谐波电流，使电源侧电流更接近正弦波，从　而达到改善电能质量的目的。　收稿日期：２００８—０３—０６：收到修改稿日期：２００８—０４—２８　论的检测方法、基于神经元的自适应法和基于单位　功率因数（Ｕｎｉｔｙ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ，ＵＰＦ）的方法等。　本文在简述３种检测方法的基础上对３种方　法的检测性能进行分析，并给出稳态和暂态状况下　的仿真分析。　２三种方法的基本原理　２．１　基于瞬时无功功率理论检测方　叫　目前广泛应用的基于瞬时无功功率理论的三　相电路谐波电流检测方法主要有Ｐ、ｑ法和　、　法。　作者简介：韦炜（１９８１一），男，陕西澄城人，助教，主要从事　测控技术工作。　因为Ｐ、ｑ法在电网电压波形发生畸变时，不论三相　电压、电流是否对称，其检测结果都有误差，而　、ｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第４期　韦炜等：三种谐波电流检测方法的比较研究　法则不受电压波形畸变影响，检测结果准确，所以　本文只对　、　法进行仿真分析。　设三相电流的瞬时值为ｉａ、ｉ　、ｉｃ，通过三相／二相　变换得到　两相瞬时电流　、　：　须选择一个与　相关的信号作为参考输入信号，因　般情况下电源电压　畸变不大，且与　同频率，　一即与　是相关的，故选用幅值减小后的电源电压　作为参考输入。　经过自适应滤波器处理后，得到　与／ｆ幅值和相位相近的输出　，当和原始输入　相　减后，输出的就是谐波电流ｉｈ。其原理见图２，具体　的数学原理和推导见文献【３】。　［：】：ｃ３２　Ｊ；ｌ　ｃ　式中，ｃ匏＝　［　－１／２／２一　－１／２／２］　、　再与信号ｓｉｎｏ￣ｔ和一ｃｏｓｗｔ计算可得到　、　，　即：　（２）　式中，ｃ＝［　－一Ｃ　］　其中ｓｉｎｔｏｔ和一ｃｏｓｗｔ为与口相电网电压同相位　的信号，它们由一个锁相环（ＰＬＬ）和一个正、余弦信　号发生电路得到。　、　经过低通滤波和逆变换即可　分别得到基波分量　、函、　，进而可得到谐波分量　、ｉ　ｉｃｈ。　、ｉｑ法原理图如图１所示，图中Ｃ２３＝ｃ，Ｔ，。　图１　、　运算方式原理图　２．２自适应检测方法　自适应谐波检测理论是基于自适应噪声抵消　技术的原理，经过自适应滤波处理，输出负载电流　中的基波分量，将此分量从负载电流中减去就得到　谐波电流。此算法不受元件参数变化和电压波形畸　变的影响。　该方法将负载电流ｉＬ看作输入信号ｉｈ＋ｉ：，谐波　电流　看作信号，而基波电流ｆ，看作噪声。同时必　误差　图２基于自适应噪声抵消原理谐波电流检测系统原理图　ＵＰＦ检测方法是将非线性负载和滤波器的并　联等效为纯阻性负载。设电网电压无畸变，则：　式中　为电源电压的峰值。　如果加上滤波器后负载侧的输入阻抗呈电阻　性，则补偿后的电网侧电流为：　式中，ｋ为复合负载（非线性负载和滤波器的组合）　的电导。补偿后的电网电流是与电网电压同频率、　同相位的正弦波，功率因数为１。　补偿前电网负载电流的傅里叶展开形式为：　＝∑厶ｓｉｎ（删ｔ＋　）：尼　＋ｉｑ　（５）　其中，　不产生有功功率，即满足：　Ｊ　Ｏ　Ｕ￣ｉｑｄｔ＝０　（６）　将式（５）代人式（６）可得：　尼：挲－＿＝—■ｒ—　　（７，　）　Ｊ。　ｕｓｉＬ＝　ｓｉｎｏ￣ｔ∑厶ｓ厶　（ｉｎ（ｎ　ｔｏｔ＋￣ｐ　））：　＝　∑Ａ　ｓｉｎ（ｎｔｏｔ＋￣ｐ　）　（８）　＝　（１一ｃｏｓ２ｗｔ）　（９）　由此可知，　和　在１个周期内的积分分别为其　直流分量与积分周期的乘积，即：　第　电流的有功分量为：　ｉｐ（ｔ）＝尼　（ｔ）　（１１）　维普资讯 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中国测试技术　２００８年７月　图３基于单位功率因数法原理图　谐波电流为：　＝ｉＬ—ｉｐ＝ｉＬ—ｋｕｓ　（１２）　基于单位功率因数法原理图如图３所示。　３仿真分析　根据上述三种检测方法，以谐波电流为对象做　了仿真研究。仿真采用Ｍａｔｌａｂ７．１／Ｓｉｍｌｉｎｋ６．０软件，　电源电压　（ｔ）使用频率为５０　Ｈｚ，幅值为１００　Ｖ的　仿真信号，负载电流为：　，　（ｔ）＝、／　ｘ５０ｓｉ，　；ｎ（５０ｔ）ｌ＋、／　ｘ５０ｓ一　ｉｎ（１５０ｔ）Ａ　∞三种算法的仿真参数为：仿真时间为０．Ｏ∞∞Ｏ∞∞Ｏ∞∞Ｏ∞　２　Ｓ，瞬　时功率法中滤波器选用二阶的巴特沃斯滤波器，截　至频率为２０　Ｈｚ［４１。ＵＰＦ法中滤波器选用二阶的巴特　沃斯滤波器，截至频率为２０　Ｈｚ【５】。　３．１稳态检测性能仿真　喜　叠　匦　ｌ０Ｏ　—丁——＿『——］———ｒ———广——丁——＿ｒ——］———『＿］　毫　。　ｆ＼　Ａ　ＡＭ］［＼Ａ）ｃ＼Ａ｝　憾Ａ　｝］（Ｍ｝＼Ａ＿　一一ｌＵＵ　———　———　————　———　————　———　———　————　———　——一　（１２）　４０　１，，ｚ　一＿，　十……．Ｌ＿……｛……一Ｌ＿……十ｉｉ，，　．　善一－４瓣簿　三兰杀蠹丰葺罨三　　……．｛……　……｛……．十……　２　图４　、‘法稳态波形　图４为　、　。法稳态仿真波形，其中（ａ）为０相　电网电压波形，（ｂ）为被检测电流　的波形，（ｃ）为　检测到的谐波电流　。　的波形，（ｄ）为误差ｅ　的波　形。从图４仿真波形可看出，当三相对称且电网电　压为正弦波时，采用　、　法能准确检测到谐波电　流，在１个周期后非常稳定地检测出负载电流中的　谐波分量，速度是比较快的，但其误差波形在２个　周期后才达到稳定，可见　、　。运算方式动态响应速　３　．　图５　自适应法稳态波形　度较慢。　图５为用自适应法得到的仿真波形，其中各图　波形含义同图４。由图５可知，自适应算法要在２个　周期才能完全跟上谐波电流，且误差波形存在纹波，　说明该算法的稳定性较差，不能很好的检出谐波。　盈　罨’　　蕊　一１００Ｌ———上———Ｊ————Ｌ———＿Ｌ———　———Ｌ———＿上————Ｌ———上—＿＿Ｊ　２Ｏ０厂——ｒ——　——　——■——丁——Ｔ——Ｔ——Ｔ——Ｔ］　。　Ａ争　对　砷　晰　善　：一５ＯＩ　』　ｊ　　ｊ：　ｉ　；　ｉ　ｊ　　ｉ习　ｊ　Ｉ　Ｏ　０．０２　０．０４　０．０６　０．０８　０．１　０．１２　０．１４　０．１６　０．１８　０．２　ｔ／ｓ　图６基于单位功率因数法稳态波形　图６为使用ＵＰＦ算法得到的仿真波形，各图含　义同图４。由图６可看出，ＵＰＦ算法可在半个周期内　就完全跟随上谐波分量，但是它的误差波形同样存　在着纹波。　从前文中图４、图５、图６的比较可知，在稳态　状态下，ＵＰＦ运算方式的检测速度最快，　、　算法的　稳定性最好，而自适应算法的效果最差。　３．２暂态检测性能仿真　当负载电流发生阶跃突变时，电网输出电流随　之发生变化，能否迅速跟踪负载电流的变化是判断　各种检测方法的重要指标。　维普资讯 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第３４卷第４期　韦炜等：三种谐波电流检测方法的比较研究　２９　喜　重　§～　一（ａ）　仿真设置为在０．１　ｓ时谐波电流幅值由５０　Ａ变　为１５０　Ａ，其它设置同稳态仿真设置。　在Ｏ．１　ｓ发生突变时，　、　法和ＵＰＦ法的动态响　（ｂ）　１００Ｉ　ｌ　ｌ　ｌ　【　ｌ：：ｉ：：ｌ：　耍夔瓣　　应速度均很快，只需一个周期即可完全跟上谐波分　量，而自适应至少需要１．５个周期才能完全跟上　谐波分量。由误差波形（见图７～图９）可以看出，ＵＰＦ　：＝ｉ：：Ｉ　法的效果最好，自适应法次之，　、　法效果最差。　ｆｓ　（ｄ）　图７　ｉＤ、　法暂态波形　｛　巫　芎。～一２００Ｉ　　；　；　；　：　：　：：：；　：；　；　ｊｌ　　ｔｏ］　；一　善一　盟　０　０．Ｏ２　ｏ．０４　０．Ｏ６　Ｏ．０８　０．１　Ｏ．１２　０．１４　０．１６　Ｏ．１８　Ｏ．２　ｌ，Ｓ　图８自适应法暂态波形　蕊　八　．．　ｊ２２００１　网　。　．。．．．．．．．．．．ｊ．．．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．．籼　．．．．．Ｊ．．．．．．．．．．．．ｊ．．．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．．　．．．．ｊ．．．．．．．．．．．．ｊ．．．．．．．，．．．．ｊ．．．．．一－Ｊ　ｊ　－墨２２０１　网　・．　－）１．．．．．．．．．．．．．．．【．．．．．．　．．．．．．．ｉ．．．．．．．．．．．．．．．ｉ．．．．．．．．．．．．．．ｊ１．．．．．．．．．．．．．．ｊ．．．．．．．．．．．．．　．ｊ．．．．．　．．．．．．．　．【．．．．．．．．．．．．．．．ｊ．．．．　．．．．．．．．．—１．．．．．．．＿＿Ｊ　ｔｃ、Ｃ）　０　匿王Ｅ匿王　０．Ｏ２　０．０４　０．０６　０．０８　０．１　０．１２　０．１４　０．１６　０．１８　０．２　ｔ／ｓ　图９基于单位功率因数检测方法暂态波形　４结束语　经过对三种检测方法的稳态和暂态仿真，从中　可见三种算法的稳态检测性能都较理想。对　、ｉ　法　而言，其可以得到很好的稳态性能和较快的响应速　度。但是当发生突变时，其滤波性能不理想，误差较　大。　对ＵＰＦ法而言，相比　、　法，其优点是动态响　应速度快，而且稳态性能较好，特别是发生突变时　不仅能迅速跟上谐波分量，而且滤波性能很好。因　此，该方法是一种综合性能较好的算法。　自适应法响应速度在三种方法中是最慢的，其　检测性能次于ＵＰＦ法，但好于　、　法。　参考文献　【１】Ａｋａｇｉ　Ｈ，Ｋａｎａｚａｗａ　Ｙ．Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ　ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ【Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８４，２０（３）：６２５—６３０．　【２】Ａｋａｇｉ　Ｈ．Ｎｅｗ　ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｆｌｔｅｓｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｉｎｇ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，１９９６，３２（６）：１３１　２—　１３２２．　【３】Ｗａｎｇ　Ｑ，Ｗｕ　Ｎ，Ｗａｎｇ　Ｚ　Ａ．Ａ　ｎｅｕｒｏｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｃｉｔｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｆｏｒ　ＡＰＦ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ［Ｊ１．ＩＥＥＥ　Ｔｒｎａｓ．ｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕ．　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅ，２００１，５０（１）：７７—８４．　ｆ４］王群，姚为正，王兆安．高通和低通滤波器对谐波检测　电路检测效果的影响研究［Ｊ】．电工技术学报，１９９９（１０）：　２２－２６．　【５】赵怀军，庞亚飞，邱宗明，等．基于ＵＰＦ的谐波电流检测　方法的研究　】．电子器件，２ｏ０７（２）：１８９—１９２．　【６】Ｓｉｎｇｈ　Ｂ，Ｈａｄｄａｄ　Ｋ，Ｃｈａｎｄｒａ　Ａ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ［Ｊ】．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，１９９９（４６）：１－１２．　【７】周洪亮．有源电力滤波控制技术的研究及应用．【Ｄ】．浙江　大学，２００２．