一種諧波和無(wú)功電流檢測的新算法
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關(guān)鍵詞：有源濾波器；諧波；無(wú)功電流
引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應用越來(lái)越廣，但是其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，以及電磁干擾等，也帶來(lái)了危害。另一方面，現代用電設備對電能質(zhì)量更加敏感，對供電質(zhì)量提出了更高的要求。而有源濾波器可以消除諧波，提高電力系統運行的穩定性，其研究和應用越來(lái)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(wǎng)注入與負載的無(wú)功和諧波電流大小相等、方向相反的電流來(lái)補償無(wú)功和抑制諧波，稱(chēng)為并聯(lián)型有源濾波器；另一種是向串聯(lián)變壓器副邊注入基波補償電流，使串聯(lián)變壓器對電網(wǎng)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(chēng)為串聯(lián)型有源濾波器。另外，還有串并聯(lián)型、混合型等。但是，無(wú)論采用哪一種，首先都必須將諧波和無(wú)功電流的值檢測出來(lái)。目前比較成熟的電流檢測方法主要有基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論[2]的pq檢測法[3]和ipiq檢測法[4]。但這兩種方法須進(jìn)行兩次坐標變換，計算量較大，其中ipiq檢測法需要采用鎖相環(huán)，而鎖相環(huán)存在實(shí)現復雜，檢測精確不高的問(wèn)題。
本文研究了一種諧波和無(wú)功電流檢測的新算法，并給出仿真結果和實(shí)驗結果。
1 諧波和無(wú)功電流檢測方法的原理
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/5881.htm圖1是并聯(lián)型有源濾波器的系統框圖，其基本原理是：通過(guò)檢測環(huán)節計算出負載的諧波和無(wú)功電流，然后控制逆變電路輸出，向電網(wǎng)注入與負載的無(wú)功和諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含有基波有功分量。這樣，該裝置既可以實(shí)現對諧波的濾波作用，又可以提供電力系統所需的無(wú)功電流，便可大大提高電能利用率，提高經(jīng)濟效益。本文提出一種新的諧波和無(wú)功電流檢測算法，圖2為負載諧波和無(wú)功電流的檢測原理圖,圖中虛線(xiàn)框內為直流側電壓控制部分。如圖2所示，首先檢測出實(shí)際負載電流和電網(wǎng)電壓，對這6個(gè)量進(jìn)行計算即可得到所需的三相負載諧波和無(wú)功電流。
為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假定電網(wǎng)電壓三相對稱(chēng)、無(wú)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(chēng)，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(shí)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(jīng)過(guò)低通濾波，功率中的諧波分量可以濾去，只剩下穩態(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(yíng)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(shí)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(wú)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(xiàn)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(shí)際檢測值Ud的差輸入PI調節器，輸出乘以實(shí)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(jìn)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(wǎng)電壓完全同相位，且為標準正弦，這說(shuō)明檢測出的諧波和無(wú)功電流是完全準確的。 實(shí)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(wú)功電流檢測以及PWM脈沖信號的產(chǎn)生都由相應的軟件實(shí)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(wù)程序。用T1定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)A/D轉換，對電網(wǎng)電壓、負載電流、電網(wǎng)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(chǎn)生ADC中斷，在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現算法,計算出諧波及無(wú)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(shí)際的補償電流相比較，差值送入數字PI調節器，PI調節器的輸出與高頻三角載波進(jìn)行調制，由PWM模塊產(chǎn)生6路PWM控制信號，其中三角載波由定時(shí)器實(shí)現，頻率為10Hz。 將6路PWM控制信號送至驅動(dòng)電路，最終通過(guò)IGBT產(chǎn)生相應的補償電流注入電網(wǎng)。整個(gè)系統的仿真結果、實(shí)驗結果如圖4及圖5所示。 實(shí)驗和仿真有類(lèi)似的結果。由圖5系統實(shí)驗波形可知，實(shí)際負載電流中含有大量的諧波及無(wú)功分量，電網(wǎng)電壓由于負載影響有部分畸變。經(jīng)過(guò)補償，電網(wǎng)電流基本為正弦，且與電壓同相位。 3 結語(yǔ) 本文提出的這種新的電力系統諧波和無(wú)功電流的檢測算法可以檢測出包括基波無(wú)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(shí)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(jìn)行矩陣變換，具有計算準確，實(shí)現簡(jiǎn)單的特點(diǎn)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(zhù)消費者不斷地將科技融入日常生活，亞洲的生產(chǎn)商不得不在他們的系統中采用經(jīng)濟型的解決方案，以吸引這塊細分市場(chǎng)。為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，皇家飛利浦電子公司日前推出了價(jià)格低廉的微控制器LPC935，售價(jià)不高于2美元，特別內嵌了2個(gè)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(guò)2個(gè)模/數轉換器，能同時(shí)在兩個(gè)通道（共有8個(gè)通道）轉換和讀取數據，例如可以同時(shí)讀取電壓和電流的測量結果，以便設計員進(jìn)行實(shí)時(shí)數據分析。這些LPC935轉換器能在不到4μs的時(shí)間內對這些信號進(jìn)行轉換。 LPC395系列成本只及競爭產(chǎn)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(lǐng)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(jiǎn)了外部元件，采用微型的集成封裝，使亞洲的設計師和生產(chǎn)商可以靈活地選擇使用模/數轉換，或高速數/模輸出。通過(guò)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(gè)數值范圍產(chǎn)生中斷，這樣CPU可以有更多的時(shí)間去處理其他的任務(wù)。 LPC900系列基于能以12MHz頻率在167ns內執行指令（比傳統的80C51提高了600％）的高性能處理架構，應用了字節可擦除閃存技術(shù)，以加強靈活性和改進(jìn)性能。LPC900有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和三個(gè)16位計數器，增強了計時(shí)功能。另外還提供了串行通信信道，如400kHz字節寬的I2C總線(xiàn)，增強型UART和SPI。靈活的電源管理功能還可以延長(cháng)手持應用設備的電池壽命。
2 仿真和試驗結果
采用MATLAB中的SIMULINK模塊對這種檢測算法進(jìn)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(wǎng)電壓完全同相位，且為標準正弦，這說(shuō)明檢測出的諧波和無(wú)功電流是完全準確的。
實(shí)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(wú)功電流檢測以及PWM脈沖信號的產(chǎn)生都由相應的軟件實(shí)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(wù)程序。用T1定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)A/D轉換，對電網(wǎng)電壓、負載電流、電網(wǎng)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(chǎn)生ADC中斷，在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現算法,計算出諧波及無(wú)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(shí)際的補償電流相比較，差值送入數字PI調節器，PI調節器的輸出與高頻三角載波進(jìn)行調制，由PWM模塊產(chǎn)生6路PWM控制信號，其中三角載波由定時(shí)器實(shí)現，頻率為10Hz。
將6路PWM控制信號送至驅動(dòng)電路，最終通過(guò)IGBT產(chǎn)生相應的補償電流注入電網(wǎng)。整個(gè)系統的仿真結果、實(shí)驗結果如圖4及圖5所示。
實(shí)驗和仿真有類(lèi)似的結果。由圖5系統實(shí)驗波形可知，實(shí)際負載電流中含有大量的諧波及無(wú)功分量，電網(wǎng)電壓由于負載影響有部分畸變。經(jīng)過(guò)補償，電網(wǎng)電流基本為正弦，且與電壓同相位。
3 結語(yǔ)
本文提出的這種新的電力系統諧波和無(wú)功電流的檢測算法可以檢測出包括基波無(wú)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(shí)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(jìn)行矩陣變換，具有計算準確，實(shí)現簡(jiǎn)單的特點(diǎn)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(zhù)消費者不斷地將科技融入日常生活，亞洲的生產(chǎn)商不得不在他們的系統中采用經(jīng)濟型的解決方案，以吸引這塊細分市場(chǎng)。為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，皇家飛利浦電子公司日前推出了價(jià)格低廉的微控制器LPC935，售價(jià)不高于2美元，特別內嵌了2個(gè)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(guò)2個(gè)模/數轉換器，能同時(shí)在兩個(gè)通道（共有8個(gè)通道）轉換和讀取數據，例如可以同時(shí)讀取電壓和電流的測量結果，以便設計員進(jìn)行實(shí)時(shí)數據分析。這些LPC935轉換器能在不到4μs的時(shí)間內對這些信號進(jìn)行轉換。
LPC395系列成本只及競爭產(chǎn)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(lǐng)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(jiǎn)了外部元件，采用微型的集成封裝，使亞洲的設計師和生產(chǎn)商可以靈活地選擇使用模/數轉換，或高速數/模輸出。通過(guò)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(gè)數值范圍產(chǎn)生中斷，這樣CPU可以有更多的時(shí)間去處理其他的任務(wù)。
LPC900系列基于能以12MHz頻率在167ns內執行指令（比傳統的80C51提高了600％）的高性能處理架構，應用了字節可擦除閃存技術(shù)，以加強靈活性和改進(jìn)性能。LPC900有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和三個(gè)16位計數器，增強了計時(shí)功能。另外還提供了串行通信信道，如400kHz字節寬的I2C總線(xiàn)，增強型UART和SPI。靈活的電源管理功能還可以延長(cháng)手持應用設備的電池壽命。
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