基于瞬时无功理论的瞬时谐波电流检测误差与消除对策

基于瞬时无功理论的瞬时谐波电流检测误差与消除对策余健明同向前摘要简要回顾了基于瞬时无功理论的瞬时谐波电流检测方法，分析了在实际工况下导致谐波电流检测误差的因素，最后针对不同补偿对象提出了相应的检测误差消除对策。关键词有源电力滤波器谐波检测误差中图法分类号TM714TheDetectingErrorofInstaneousHarmonicCurrentBasedonp-qTheoryandItsEliminativeCountermeasuresYuJianmingTongXiangqianXi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048AbstractInthispaperthedetectingmethodofinstaneousharmoniccurrentisreviewedbasedonthep-qtheory.Thefactorscausingthedetectingerrorsatactualworkingconditionsareanalysed;andtheeliminativecountermeasuresarepresentedwiththepurposestocompensatedifferentobjects.Keywordsactivepowerfilterharmonicdetectingerror随着大容量电力电子装置等非线性用电设备的广泛使用，电力系统谐波问题日益严重，深入研究谐波抑制方法和装置意义重大。目前，谐波抑制装置主要为由RLC组成的无源电力滤波器，因其滤波效果依赖于系统电气参数和谐波源参数的准确估计，而这些参数往往多变，因而滤波效果欠佳，甚至可能引起谐波放大。随着电力电子技术的发展，由电力电子装置构成的有源电力滤波器日益受到重视。作为有源电力滤波器的一个关键组成部分，瞬时谐波电流检测单元的检测精度对滤波效果有着决定性的影响。自三相瞬时功率理论提出以来，基于该理论的瞬时谐波电流检测方法得到普遍重视和应用。然而，这种方法的检测精度在很大程度上受到实际工况中多种因素的影响。本文通过理论分析，着重讨论了影响检测精度的各种因素，并针对不同对象提出了相应的消除对策。1瞬时谐波电流检测原理对于三相交流系统，当负载端电压和负载电流满足以下条件：(1)(2)可用三相/二相变换将ABC三相交流量变换到正交的α-β坐标上，如式(3)(4)所示：(3)(4)或通过二相/三相反变换将正交的α-β量变换成三相交流量，如式(5)(6)所示：(5)(6)在以下分析中，将转换矩阵简记如下：依据正交的α-β变量，三相瞬时实功率p和瞬时虚功率q定义如下：(7)对三相平衡的正弦系统而言，瞬时实功率p和瞬时虚功率q为基波电压与基波电流的乘积，两者均为恒定的直流量。其中，p值等于负载有功功率P，q值等于无功功率Q。当系统供电给谐波源负载时，负载电流中含有高次谐波，经过上述运算后，p和q中除基波直流分量(记作和)外，还含有交流分量(记作和)。交流分量为电源电压与负载谐波电流ih的乘积，即(8)于是(9)(10)图1瞬时谐波电流检测原理示意图式(9)(10)表明，只要用高通滤波器从p和q中分离出交流成分和，就可通过图1所示运算电路求出三相瞬时谐波电流。采用上述方法准确检测瞬时谐波电流必须满足下列条件：(1)和必须包含各次谐波电流的全部成分，即正序、负序和零序分量；(2)和仅是基波电压和基波电流的乘积，不包含谐波功率成分；(3)和仅是高次谐波电流和基波电压的乘积，不包含基波电流与各次电压的乘积项。在实际工况下，上述三个条件往往难以完全得到满足，因而产生了种种检测误差。2导致检测误差的因素分析2.1因素之一——零序谐波电流的存在三相四线制系统中三相不平衡将导致三相电流之和不为零。按对称分量法，三相负荷电流分解为正序、负序和零序三种对称分量之和，即(11)式中，正序分量三相幅值相等，相位按A、B、C依次滞后120°；负序分量三相幅值相等，相位按A、C、B依次滞后120°；零序分量在幅值和相位上均相同，即(12)将式(11)代入式(4)可得(13)根据式(12)，显然最后一项为零，于是(14)可见，零序分量并不反映到正交的α-β坐标中，和中必然不包含负载谐波电流中的零序分量，由此产生了零序谐波泄露误差。我国低压电网采用三相四线制，由于单相负荷的不平衡分配，零序电流必然存在，加之低压电网低次谐波含量大，用该方法检测电网中的谐波电流必将产生零序泄露误差。但是，作为低压系统中三相三线制接法的单个谐波源负载的谐波电流检测，则不存在此类误差。2.2因素之二——电源电压波形的严重畸变为简化分析，设三相电源电压和电流对称，且都仅含有单一的h次谐波，即(15)(16)式中，νf和if分别为基波电压和电流；νh和ih分别是h次谐波电压和电流。将式(15)、(16)分别代入式(3)(4)中，可得(17)(18)于是，由式(7)可得(19)式中，第一项为基波电压和基波电流产生的基波功率，呈直流分量；第二项为同次谐波电压和电流产生的谐波功率，亦为直流分量；第三项为基波电压与谐波电流的乘积，呈交流分量；第四项为基波电流与谐波电压的乘积，亦为交流分量。虽然第二项包含有谐波电流信息，但却为直流分量，在和中不反映，产生了谐波泄露误差。第四项虽不包含谐波电流信息，但却呈现交流分量出现在和中，产生了谐波混迭误差。2.3因素之三——三相电压/电流不对称为简化说明，设三相电压和电流中不含谐波。由于三相不对称，三相电压和电流可分解为正序和负序分量，即(20)(21)将式(20)(21)分别代入式(3)(4)中，可得(22)(23)于是，由式(7)可得(24)由于正序分量和负序分量均属对称分量，上式第一项和第二项均呈直流分量。但是，第三项和第四项是正序与负序分量的交叉乘积，结果为两倍于基波频率的交流分量，从而在和中引入了基波成分，使检测结果出现负序混迭误差。当电压／电流含有谐波时，基波负序分量与谐波之间的交叉作用还将在和中引入更高频率的交流分量，负序混迭误差趋大。3消除对策严格地讲，基于瞬时功率理论的瞬时谐波电流检测法仅适用于三相三线制、电源电压为三相对称正弦波、三相负荷平衡的负载谐波电流的检测。所以，在有源电力滤波器设计中必须针对具体电网和负载的特点采取相应措施来消除或减小各种不利因素的影响。对于电力变流器的瞬时谐波电流的检测，可采取如下策略：(1)变流器尽可能采用三相三线接法的桥式电路，从而避免零序电流的存在。(2)由于瞬时谐波电流的检测仅需要一组与电流基波频率同步的三相对称正弦电压，此电压不必是负荷的实际供电电源电压。因此，如果变流器网侧电源电压波形畸变严重，可采用下列措施之一：①三相电源电压经过低通滤波器滤除高次谐波后再参与谐波电流的检测运算，此时要求三相所用的低通滤波器特性一致；②用三相正弦电压发生器的输出电压参与瞬时谐波电流的检测运算，此时在发生器中必须运用频率跟踪锁相技术，使其输出信号与电源电压频率保持同步。(3)对于采用三相桥式电路的六脉冲及以上电力变流器，其最低特征谐波电流为5次谐波，由特征谐波电流产生的和中的最低交流分量频率为基波频率的6倍，而由于三相电流不对称在和中产生的交流分量频率为基波频率的2倍。因此，只要合理选择提取和所用的高通滤波器的转折频率，譬如设定在4倍基波频率，即可消除三相电流不对称的影响。对于电弧炉等冲击负荷和低压电网而言，由于负荷电流中低次谐波(如2次，3次)含量大，三相不平衡严重，功率波动剧烈，瞬时谐波电流实时精确检测困难。但是，瞬时虚功率q中一般包含较多的谐波信息，若用有源滤波器来动态地补偿电网或装置的瞬时虚功率q，将会取得集无功、谐波、电压波动与闪变同时补偿的良好综合效果。作者简介：男，1956年生，副教授作者单位：西安理工大学自动化与信息工程学院，西安710048参考文献[1]日本电气学会编.电力半导体变流电路.王兆安等译.北京：机械工业出版社，1993[2]BeenaAcharya.Activepowerfiltersusingresonantpoleinverters.IEEETrans,OnIA,1992,128(6)原稿收到日期1998-01-07