滑窗迭代DFT法和Ip-Iq法在農(nóng)村電網(wǎng)諧波檢測中的對比研究

0   引言

農(nóng)村電網(wǎng)由于本身特殊的性質(zhì)，如農(nóng)村電網(wǎng)負荷分布不集中，范圍廣，供電點多，供電線路長，導(dǎo)致線損大，功率因數(shù)低。此外，農(nóng)村用電負荷隨季節(jié)變化比較明顯，受天氣、灌溉的影響比較大^[1]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展，對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求，而諧波是影響電能質(zhì)量的主要因素。在農(nóng)村經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時，各種農(nóng)村現(xiàn)代化的電力電子等非線性元件也正在越來越多地投入運行，由此帶來的諧波問題也日益嚴重^[2]。有效治理諧波不僅能夠提高農(nóng)村電網(wǎng)的供電質(zhì)量，而且能延長農(nóng)村供電設(shè)備的使用壽命，降低投入。實時、有效地進行諧波檢測可以準確定位諧波出現(xiàn)的位置并加以治理[3]，因此可靠、有效的對諧波進行檢測顯得尤為重要。

Ip-Iq法是基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，該方法在當電壓有畸變時仍能檢測出諧波電流，但當電壓畸變時卻無法檢測出基波電流的有功分量[4]。滑窗迭代DFT法可以改進傅里葉變換實時性差的缺點，可以實時、準確地進行諧波檢測，且抗干擾能力強[5]。本文通過MATLAB對兩種算法進行對比研究，并對仿真結(jié)果進行了分析。

1   滑窗迭代DFT法

滑窗迭代DFT算法^[6,8]，在1個周期T內(nèi)對某一時間信號采樣時，插入N個采樣點，每個采樣時間可以表示為τ=T/N，t=kτ，進行離散傅里葉變換可得：

式中：

對采樣數(shù)據(jù)在存儲空間的求和方式進行改進，在將1個周期中的N點數(shù)據(jù)存儲在如圖1所示的存儲空間后，然后對求和的上下限進行修改，在式（2）和（3）中，作為求和起點，代表的是最新實時得到的數(shù)據(jù)； 作為其上限，表示上一個周期T內(nèi) 所對應(yīng)的存儲空間的下一位存儲空間對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)；在改進后，該系統(tǒng)將會使用實時最新的數(shù)據(jù)來檢測不同的電流分量。圖1所示為具體過程。

圖1 滑窗迭代算法過程

根據(jù)圖1所示的算法模型，對系數(shù)和進行如下化簡，將原來的求和運算簡化成一個只需要進行減法和加法的運算表達式，減少了計算量。

2   Ip-Iq法進行諧波檢測

日本學(xué)者H.Akagi于1983年提出瞬時無功功率理論，p-q法和ip-iq^[4]法，它們均能實時準確地檢測三相對稱電路的諧波和無功電流。后者的適用范圍更寬。ip-iq的框圖如圖2所示。通過鎖相環(huán)對a相電壓瞬時信號進行鎖相，再利用正余弦發(fā)生器產(chǎn)生與a相電壓同頻率、同相位的正余弦同步旋轉(zhuǎn)信號^[7]。

圖2 ip-iq運算方式原理圖

3 仿真研究

3.1 滑窗迭代DFT法仿真分析

仿真時，取值為6.4 kHz，t取值為0.4 s，被檢測信號在檢測的過程中發(fā)生了突變，取突變在t為0.2 s的時候，其中為采樣頻率。被檢測信號表達式為：

U=2cos(ωt-π/4)+0.8cos(2ωt-π/4)+0.5cos(3ωt+π/6)+0.2cos(5ωt-π/3)+0.1cos(7ωt+π/7)

仿真結(jié)果如圖3所示。

（a）檢測信號；（b）檢測的基波信號；（c）檢測的諧波信號

圖3 滑窗迭代DFT檢測算法仿真圖

從圖3的仿真波形能夠看出，上述檢測方法在檢測設(shè)定電流時，能較為準確并且及時地反映出設(shè)定的負載電流的動態(tài)變動情況，并不存在滯后于被檢測的負載電流的現(xiàn)象。在檢測到0.2 s基波成分改動時，稍滯后于被檢測的負載電流?？傮w來看上述方法比較準確且檢測諧波分量不存在滯后現(xiàn)象。

3.2 Ip-Iq法仿真分析

對 Ip-Iq法進行仿真時，取值為6.4 kHz，t取值為0.4 s，被檢測信號在t = 0.2 s時發(fā)生突變，其中為采樣頻率，t是仿真時間，并且采取3階Elliptic低通濾波器，被檢測信號的表達式：

仿真結(jié)果如圖4所示。

(a)檢測的信號；（b）檢測的基波信號；（c）檢測的諧波信號

圖4 Ip-Iq法仿真結(jié)果

從圖4仿真結(jié)果表明，該算法在檢測出負載電流突變的時間總是滯后于設(shè)定的負載電流突變時間，同時該算法在檢測出設(shè)定電流的不同分量發(fā)生變化的時間，同樣滯后于被檢測的電流發(fā)生變化的時間。LPF的使用導(dǎo)致了上述滯后現(xiàn)象，當LPF的截止頻率越小，對諧波的濾除效果越好，諧波電流的檢測精度越高，但會導(dǎo)致響應(yīng)時間變長，實時性變差[8]，因而Ip-Iq法主要適用于農(nóng)村電網(wǎng)電壓無畸變的情況。

4   結(jié)語

滑窗迭代DFT法在檢測設(shè)定電流的時候，能較為準確并及時地反映出設(shè)定的負載電流的動態(tài)變動情況，幾乎不存在滯后于被檢測的負載電流的現(xiàn)象。Ip-Iq法在檢測出負載電流突變的時間總是滯后于設(shè)定的負載電流突變時間，同時該算法在檢測出設(shè)定電流的不同分量發(fā)生變化的時間，同樣滯后于被檢測的電流發(fā)生變化的時間，因而Ip-Iq法主要適用于農(nóng)村電網(wǎng)電壓無畸變的情況。

參考文獻：

[1] 鄔光耀.10kV農(nóng)村配電網(wǎng)無功補償及電壓調(diào)節(jié)措施的研究[D].北京:華北電力大學(xué),2014.

[2] 歐陽碧歡,趙春宇.現(xiàn)有電網(wǎng)諧波檢測方法及其發(fā)展趨勢[J].電子測量技術(shù),2009,32(07):1-4.

[3] 張穎,余晨.一種改進的小波變換抗混疊電力系統(tǒng)諧波檢測方法[J].電器與能效管理技術(shù),2019(10):64-68.

[4] 郭瑋,曹靖,陳祖建.農(nóng)村電網(wǎng)中諧波與無功電流檢測方法研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,32(5):467-471.

[5] 張杰成,喬鳴忠,朱鵬等.滑窗迭代DFT檢測諧波和無功電流的新算法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,2015,27(12):18-22.

[6] 周柯,羅安,彭劍.基于滑窗迭代DFT的電力諧波檢測[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2006(03):27-30.

[7] 王振尚,傅鵬,黃連生,等.基于ip-iq理論的改進諧波檢測方法[J].強激光與粒子束,2019,31(5):1-6.

[8] 郁祎琳,徐永梅,劉曉博.滑窗迭代DFT的諧波電流檢測方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(13):78-82.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）