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1、频漂时APF的谐波电流检测方法方法研究,by:Xiphosura,目录,1.APF基础(6) 2.问题提出(4) 3.主要内容(22) 4.小结(1),APF基础（1/6）,1.APF基本原理,交流电源,谐波源,APF基础（2/6）,2.传统谐波电流检测方法,通常用于有源电力滤波器的电流检测方法主要有以下几种： （1）利用模拟陷波器的检测方法 （2）基于傅里叶变换理论的检测方法 （3）基于瞬时无功功率理论的检测方法 （4）其他如模糊、自适应检测方法、基于小波变换和基于神经网络的检测方法。,APF基础（3/6）,2.传统谐波电流检测方法 （2）基于傅里叶变换理论的检测方法,目前谐波检测中应用的最
2、多也是最广泛的一种方法是对连续的谐波信号进行采样，再通过离散傅里叶变换（DFT）进行频谱分析后求得该谐波各项参数。这种方法是一种典型的交流采样计算式微机测量方法。它的理论基础是假定输入信号是周期信号，可以分解为恒定直流分量与整数倍基频周期分量之和，因此利用正交三角函数基或正交指数基把时域信号变换成频域信号，分离出电参量信号的基波及各次谐波分量，从而可得到信号各分量的幅值、频率和相位，然后再由相应公式可以很方便的求出其余的参数值。,APF基础（4/6）,2.传统谐波电流检测方法 （2）基于傅里叶变换理论的检测方法,使用傅里叶变换的方法，可以检测任意指定次的谐波，但当有源电力滤波器需要补偿所有谐波
3、分时，使用该方法算法简单、所用器件少、实时性高，不仅能适用于单相电路，而且也适用于三相四线制电路。,APF基础（5/6）,2.传统谐波电流检测方法 （3）基于瞬时无功功率理论的检测方法,APF基础（6/6）,2.传统谐波电流检测方法 （3）基于瞬时无功功率理论的检测方法,以上2种方法中，ip-iq方法的适用范围更广，更能适应电网电压不对称和电压波形畸变的情况因为ip-iq运算方式中只需读取sint和cost参与运算，畸变电压的谐波成分在运算中不出现，所以在电源电压畸变情况下也能准确检测出谐波电流，而p-q法在这种情况下误差较大。基于瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波
4、正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性。,问题提出（1/4）,1.谐波电流检测方法,一种基于傅里叶变换的电流检测方法,ip-iq法,问题提出（2/4）,1.谐波电流检测方法,大电网的供电质量有很好的保证，各电量信号一般都十分稳定，波形良好。因此有源电力滤波器在大电网中使用时通常不用考虑电压畸变、频率波动等现象的影响。现有的有源电力滤波器都是针对大电网的供电质量进行设计的，由于不考虑频率波动，通常简单的采用过零检测的锁相方法，且谐波电流检测环节的电压同步信号通常人为给定为50Hz（角频率为100 rad/s），这样可以减少有源电力滤波器系统的运算量
5、，加快了系统的响应速度。,问题提出（3/4）,2.频漂现象,由于供电灵活、成本低、环保等特点，当前微型电网技术得到了广泛关注。随着微网研究的深入和应用范围的扩大，微网中微电源的种类越来越多，数量也越来越大，微网中出现许多由于微电源自身特殊性质而引发的电能质量问题。微电源的特殊性造成的电能质量问题仅仅是微网相比传统配电网电能质量问题特殊性的一个方面，微网的特殊网络性质和运行特点，以及包含其中的众多储能设备、检测控制设备都使微网电能质量问题的产生原因和传播范围有了许多新的特点。在大小船舶、石油钻井平台、石油勘探、铁道发电列车、工矿企业、以及一些公共电网不能覆盖的偏远山区等应用场合，还存在着独立输出
6、电能的供电系统独立小电网。它还作为大电网中一些重要用户的后备电源使用，如核电站、邮电通讯及宾馆大厦等场合。随着国家对电力市场的调整以及分布式发电技术的发展，分布式发电得到了快速的发展，独立小电网系统的分布也越来越广泛。,问题提出（4/4）,2.频漂现象,APF,频漂,控制方式,？,主要内容（1/22）,1.频率变化对电流检测的影响 （1）频域分析中的检测误差谐波检测中，所有要处理的信号均是经过采样得到的数字信号，如果不是整周期采样会发生栅栏效应。,误差很大程度来自采样窗口和实际波形的同步不严格，造成频谱泄漏。插值算法可以消除栅栏效应引起的误差，但是不能消除因频谱泄漏现象而导致的测量误差；利用加
7、窗算法可以减少频谱泄漏误差，但是需要构造窗函数，使频谱分析变得复杂，而且因此导致的延时严重影响到谐波抑制及无功补偿设备的补偿性能。当电网频率发生变化时，要实现同步采样有两种方法：一种是实时调整采样频率，而窗口宽度不变；另一种方法是采样频率不变，而实时调整窗口的宽度。,主要内容（2/22）,1.频率变化对电流检测的影响 （2）时域分析中的检测误差,假设电网电压正序分量和得到的同步信号分别为：,如果频率发生变化时，利用基于瞬时无功功率理论的电流检测ip-iq算法检测基波可以得出负载电流中的基波成分为：,可以看出，检测基波时同步信号角频率误差会影响幅值和相位。,主要内容（3/22）,1.频率变化对电
8、流检测的影响 （2）时域分析中的检测误差,基波电流为50Hz 25A时（加20%5次谐波）同步信号为45Hz时检测所得误差。,主要内容（4/22）,2.适应于频漂的谐波电流检测方法,适用于微网的谐波电路检测方法是基于ip-iq法，与用于大电网有源电力滤波器的谐波电流检测环节不同，该方法强调其中软件锁相环部分的作用，并且把原ip-iq法中的只检测ua信号的单相锁相环换成了三相软件锁相环，该锁相环可以工作于电压严重畸变、频率波动速度快的环境之下，因此可以适应微网对有源电力滤波器补偿性能的要求。,主要内容（5/22）,3.低通滤波环节的设计,电流检测中需要用到低通滤波器将直流分量检出，低通滤波器的设
9、计决定了电流检测的动态响应速度及检测精度。低通滤波器的设计原则是阻带的衰减特性好，时延小，响应速度快。常用的滤波器有Butterworth、Chebychev、Bessel和Elliptic滤波器等。通过仿真研究，结果发现，同样阶数的滤波器，当截止频率选得较低时，Butterworth滤波器的检测精度最高，这是因为它的频率特性在零点附近最好。,主要内容（6/22）,3.低通滤波环节的设计 （1）低通滤波器阶次的选择,低通滤波器阶次选得越高，尽管理论上讲能提高检测精度，但由于相应的时延加大，使得动态响应过程减慢。况且高阶数的低通滤波器会增加滤波器的元件数目，进而增加实现费用。所以，选取低通滤波器
10、阶数时，既要考虑谐波电流的检测精度，又要兼顾动态响应过程和可实现性。,2阶,3阶,主要内容（7/22）,3.低通滤波环节的设计 （2）低通滤波器截止频率的选择,原则上只要将低通滤波器的截止频率设置为0100Hz即可将工频偶数倍的周期信号全部剔除，从而可以得到由基波电流量所产生的有功和无功分量，最终经过反变换就可以得到ia、ib、ic中的基波电流量。,25Hz,50Hz,100Hz,主要内容（8/22）,3.低通滤波环节的设计 （2）低通滤波器截止频率的选择,25Hz,50Hz,100Hz,截止频率越大，动态响应越快；动态响应速度与检测精度是矛盾的，不同截止频率，谐波检测精度不同，截止频率越小，
11、检测精度越高，截止频率过大时，5、7次等低次谐波不能完全滤除。因此，综合考虑动态响应和检测精度，实际应用中低通滤波器的截止频率及阶次的选取要二者兼顾，既不能选太大，也不能选太小。本仿真系统中低通滤波器的阶次取n=2，截止频率取fc=50Hz时结果较为理想。,主要内容（9/22）,4.锁相方法介绍 （1）基于过零检测的锁相方法这种方法的动态性能较差，因为每半个工频周期才检测一次过零点；而且这种方法对电压畸变特别是开关器件产生的电压尖刺比较敏感；最严重的是在三相电压不平衡时，无法区分出三相正序电压。,主要内容（10/22）,4.锁相方法介绍 （2）基于瞬时无功功率理论的锁相方法（开环）这种方法的最
12、大缺点是对电网频率的变化比较敏感，如果电网频率发生了变化，由LPF 引起的相位延迟就无法得到完全的补偿。该方法的另一个缺点是对三相电压不平衡很敏感。,主要内容（11/22）,4.锁相方法介绍 （3）基于瞬时无功功率理论的锁相方法（闭环）通过闭环调节使 Uq = 0，从而使得* = 。这种方法具有较强的鲁 棒性，但对三相电压不平 衡比较敏感。,主要内容（12/22）,4.锁相方法介绍 （4）其他锁相方法卡尔曼滤波(Kalman filtering)也被用于检测电网频率基于卡尔曼滤波的方法对模型的依赖性比较强，且对初始状态比较敏感。自适应神经网络（Adaptive neural network）也
13、被用于检测电网频率，但基于自适应神经网络的方法不适于电网电压存在畸变的情况。最小二乘法(Least squares)，自适应陷波器(Adaptive notch filter)也被用于检测电网频率，这些方法的计算都比较复杂，且收敛速度较慢。,主要内容（13/22）,5.基于瞬时无功功率理论的锁相方法（闭环） （1）基本原理,把三相输入电源电压采样后做 32 变换，即把电压转换到 坐标系中。然后再做pq变换得到uq，变换所使用的角度是锁相的输出*，uq的大小代表输入电压相位和锁相输出相位*之间的差，然后利用一个PI 调节器把该差调整到零，从而达到锁相的目的。其中0为工频频率，作用是加快闭环系统的
14、响应速度。,主要内容（14/22）,5.基于瞬时无功功率理论的锁相方法（闭环） （2）PI参数设计,下图为该软件锁相环的等效传递函数图。由于三阶系统对高次谐波有一定滤波效果，因此可通过合理选择PI参数，使得其同时满足跟踪速度与滤波的要求。,主要内容（15/22）,5.基于瞬时无功功率理论的锁相方法（闭环） （2）PI参数设计,采用试凑的方法确定PI参数，由于采样时间Ts小，因此PI参数很容易满足系统稳定所需的条件。,电网电压频率初始值为工频频率50Hz，不含谐波，在0.05s时刻加入20%的5次谐波，进而在0.1s时刻将电网频率变为45Hz。,主要内容（16/22）,5.基于瞬时无功功率理论的
15、锁相方法（闭环） （3）仿真结果,仿真条件如下：以三相电压基波正序分量的幅值为基准，含有20%的5次谐波，10%的7次谐波。,主要内容（17/22）,5.基于瞬时无功功率理论的锁相方法（闭环） （3）仿真结果,仿真条件如下：以三相电压基波正序分量的幅值为基准，含有20%的5次谐波，10%的7次谐波。 为了证明软锁相对频率变化的跟踪效果，对频率发生很大突变的情况进行了仿真。在0.06s时电网的频率由50Hz降到40Hz。,主要内容（18/22）,6.APF系统仿真 （1）系统结构,主要内容（19/22）,6.APF系统仿真 （2）控制系统结构,主要内容（20/22）,6.APF系统仿真 （3）仿真模型,主要内容（21/22）,6.APF系统仿真 （3）仿真结果,主要内容（22/22）,6.APF系统仿真 （3）仿真结果,小结（1/1）,1.本文采用的电流检测方法可以使有源电力滤波器适应电网频漂 2.采用基于瞬时无功功率理论的软锁相环能有效的抑制电压畸变对相位检测的影响 3. 采用使有源电力滤波器适应电网频率波动而不是抑制电网频率波动的控制方法 4. 通过仿真证明了本文使用控制方法完全适用于存在频漂时的电能质量问题进行治理。,THANK YOU！,
