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1、有源电力滤波的谐波电流检测方法及比较I摘要由于电力电子器件的广泛应用，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，这使得谐波问题日趋严重。在电网谐波污染越来越严重、用户对电能质量要求越来越高的背景下，谐波电流的检测显得尤为重要。本文简单综述了四种谐波电流检测的方法，并且对后三种电流检测的原理和优缺点进行了分析，在选择电流检测的方法上可以作为参考。II概述对电力系统而言，研究谐波和无功功率意义重大。首先，谐波污染的危害非常严重。谐波增加了 电网中的附加损耗， 降低了电能传输和使用效率，使电机、变压器等设备过热，并且加速绝缘老化致使寿命缩短。谐波在局部引起谐振，还会导致谐波放大以至于烧毁容性设备。另
2、外，谐波还可能引起控制和保护装置误动作、对通讯和电子设备产生严重干扰。其次，大量无功功率的交换会增大线路和设备容量以及损耗，如果是焊接设备等冲击性负载，会使电网电压剧烈波动，从而严重影响电能质量。有源电力滤波器是一种新型的电力电子装置，可以对电力系统中的谐波进行补偿。谐波电流检测技术是有源电力滤波器技术的关键技术之一。瞬时无功功率理论自 20世纪80年代提出以来，在许多方面得到成功的应用。基于该理论得出了用于有源电力滤波器的谐波电流检测方法。本文在阐述瞬时无功功率理论的基础上，对基于该理论的谐波电流检测方法的误差因素进行了分析。由于神经网络具有良好的处理非线性问题的能力，近年来已有文献将神经网
3、络应用于谐波检测中。本文分析了目前文献中研究较多的基于多层前馈网络的谐波电流检测 方法的基本原理。在分析已有检测方法的不足的基础上，从有源电力滤波器改善电能质量、降低总谐波畸变率这一功能本质角度出发提出了一种基于神经网络的谐波电流检测新方法，BP前馈神经网络谐波电流检测方法。由于小波变换具有良好的时频局部化特性，本文给出了小波变换的原理和选择方法。并且分析了三种方法的优缺点。III消除谐波的方法1 概述四种基本方法从有源电力滤波器结构， 我们可以得出有源电力滤波器技术包含着三大关键技术：功率器件制造技术、谐波电流检测技术和电流控制技术。事实上，正是这三大技术的发展决定着APF技术的发展。本论文
4、中重点研究的就是作为APF中关键技术之一的谐波电流检测技术。有源电力滤波器谐波电流检测技术也就是指对补偿电流的检测技术。补偿电流的检测是为了给出补偿电流发生电路所需的输出给定信号，以使APF产生相应的补偿电流。用于 APF检测环节中的检测方法主要以下4种：(1) 频率分析法该方法的基础是傅立叶级数分析，将检测到的畸变电流(或电压)进行傅立叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。此方法的优点是检测精度较高，缺点是需要一定时间的电流值，计算量大，需花费较多的计算时间，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时计算有困难，不 适合实时控制。以上是对稳态谐波的检测而言的，对于时变谐波
5、的检测而言，由于傅立叶变换存在着在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺陷而使其难以实现对时变谐波的检测。(2) 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法应用三相瞬时无功功率理论进行无功功率分析和谐波电流检测，这对于以平均功率为基础的传统方法来说是个突破，较为常用。它的思想就是通过坐标变换得到三相电压和电流矢量，两者的点积和矢积分别定义瞬时实功率 p和瞬时虚功率q,从而推导出瞬时无功功率、无功电流。经过许多学者的大量研 究与改进，现在已在 p-q检测法基础上衍生出了 ip-iq检测法，还有以同步旋转坐标系为基础的d-q检测法。p-q检测法检测谐波，只对三相三线制系统电网电压对称且无畸变的情况适用；
6、而ip-iq检测法则对电网电压畸变和不对称的情况都适用，并且通过适当的改进，ip-iq检测法还可以应用于三相四线制系统；d-q检测法是现在的主要检测方法，与ip-iq检测法相似，优点是它可以实现更准确的无功电流检测，并且电路简单。此外，对于单相电路，也可以通过以三相为模型做分解，实现应用三相瞬时无功功率理论对单相无功和谐波电流的检测。此外，还有FFT频域分析和Fryze时域分析等方法，因延时时间长，实时性差等缺点，已经很少被 采用。(3) 基于神经网络理论的谐波电流检测法利用人工神经网络的自学习、自适应和非线性映射等能力，通过在线和离线样本训练，输入待补偿信号到神经网络，输出信号中的各次谐波的
7、相位和幅值18。人工神经网络检测法可以实现高检测精度和实时性，现在已经发展了多种网络结构，最为广泛使用的是多层前馈网络，在谐波检测中已经成功应用，是很有前景的检测方法。(4) 基于小波变换理论的谐波电流检测法小波分析在频域和时域都有很好的局部性。应用小波分析将采样的畸变电流作相应变换，再经小波滤波器分离出基波电流分量，从而也就得到了谐波分量17。这种方法易于数字实现，但是小波算法复杂，又要经过数模转换，滤波和模数转换，会产生较大的延时和相位差异 2谐波检测方法原理与优缺点 2.1基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法目前在有源电力滤波器的谐波电流检测中应用
8、得最为普遍。检测方法的基本原理：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：eaebec0(3-1)ia ibic 0(3-2)可用三相/两相变换将abc三相交流量变换到正交的坐标上，或通过两相/三相反变换将正交的量变换成三相交流量，瞬时有功功率和瞬时无功功率表达式如下：pee qeeiiiCpq i(3-3)对三相平衡的正弦系统而言，瞬时有功功率p和瞬时无功功率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值等于负载无功功率 Q。但当系统供电给谐波源负载时，负载电流中含有高次谐波，这时p和q中除含有基波直流分量（记作p）外，还含有交流分量，交
9、流分量为电源电压与负载谐波电流众的乘积，即：peei h（3-4）qeei h于是i hee-1 p(3-5)i heeq由（3-4）（3-5）可知，如果用高通滤波器从p和q中分离出交流成分，就可通过图3-1所示运算电路求出三相瞬时谐波电流。这就是目前有源电力滤波器中采用的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测 方法，也叫pq法。二帕fi三帕0:匕I图3-1瞬时谐波电流检测原理示意图这种方法和其它谐波电流检测方法，如最早采用模拟滤波器来实现的谐波电流检测方法（采用陷波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量）相比设计难度相对较小，且对电网频率
10、波动和电路元件参数敏感度较之亦降低许多；与 傅立叶分析方法相比计算量小了很多，故需花费的计算时间较少， 从而使得谐波检测具有较少的时延，实时性得到了提高。 尽管如此，该方法在使用中依然存在局限性，一个主要的方面就是检测中的误差问题。其检测误差存在的根本原因在于采用它检测瞬时谐波电流时必须满足以下几个条件:1）p和q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） p和q仅是基波电压和基波电流的乘积，不包含谐波功率成分；3）p和q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谐波电压的乘积项。pq法的误差因素主要包括以下四个方面：（1）零序谐波电流的存在；（2）电源电压波形的
11、严重畸变；三相电压/电流不对称；（4）高通滤波器参数的变化。严格地讲，基于瞬时功率理论的谐波电流检测方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，在采用这种谐波电流检测方法的有源电力滤波器的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。以上的分析亦表明目前有源电力滤波器中采用的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法在应用中仍然存 在着较大的局限性，因此探求其它更为有效的谐波电流检测方法很有必要。2.2基于神经网络理论的谐波电流检测法人工神经网络由于具有本质的非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力,智能
12、控制、自适应滤波和信号处理、非BP算法的多层前馈神经网络的谐波电流3-2所示。网络除输入输出节点外，还有在处理非线性问题上表现出了很大的潜力，已经在模式识别、 线性优化、机器人等方面取得了令人鼓舞的进展。采用基于 检测方法是目前研究较多的谐波检测方法。BP网络是一种单向传播的多层前向网络，其结构如图（传递函数）通常为一层或多层的隐层节点， 同层节点中没有任何耦合。 输入信号从输入层节点依次传过各隐层节点，然 后传到输出节点，每一层节点的输出只影响下一层节点的输入。其节点单元特性Sigmoid型，输出层节点的单元特性可以为线性和Sigmoid型。图3-2 BP网络结构对电力谐波的检测采用BP网络
13、的构想源于一种模拟并行滤波式谐波检测装置。这种装置的原理方框图如图3-3所示。这种谐波测量装置具有实时检测电力谐波的优点，但同时还具有很多缺点：大量的滤波器和检波器、结构复杂、所需元件多、造价高，且没有自适应性。输入放A器检波器1一滤波黠2 f檢波潺2输出I输出2* 三if T if滤歿着n f检波器n图3-3模拟并行滤波式谐波检测装置方框图比较图3-2和图3-3可以看出这两种结构具有相似性。根据BP网络可以实现任意F: RnRm功的非线性映射的特性，可以考虑用BP网络来代替图3-3所示的模拟并行式谐波检测装置中的带通滤波器和检波器。BP网络的输入是待测量信号，相当于图3-3中输入放大器的输出
14、信号，离线训练时它是信号在一个周期的采样值，而在线训练时它是信号的一系列时延值；BP网络的输出对应于图3-3所示检波器的输出信号，它们得出的是所要检测的各次谐波电流信号的幅值，而这些值是有源电 力滤波器的补偿电流发生电路所需要的指令电流信号的组成部分。这就是基于BP网络的谐波电流检测方法的基本原理。有文献在对网络训练过程中所采用的训练样本的选择上直接认定谐波的初相角为0或180度，且采用让奇次谐波幅度从 0开始，以10%的基波幅度的间隔逐渐递增的方式来构造样本，还有些文献 虽然提出了一种估计初相角的方法，但在样本选择上采用了同样的方法。实际上，这样构造的样本与电力系统谐波的实际情形有很大差异，所选择的样本并不具有很强的代表性，用这样的样本训练的网络来检测电力系统的谐波是不成功的。2.3基于小波变换的谐波电流检测方法数学理论上讲，多分辨就是不断地滤除频率相对较高的频带上的分量（细节），同时保存这些分量以进行信号重构（高频信号重构），这就是多分辨思想用于谐波检测的原理。图3-4采用小波变换检测谐波的 APF的基本结构框图在有源电力滤波器中，需要检测的只是除基波外的所有谐波含量，不需要给出各次谐波的大小。结合小波变换的多分辨思想，对有源电力滤波器中的谐波检测提出如下构想：即首先通过基于小波变换的谐波检测环节对畸变电流信号进行多尺度分解，
