一種諧波和無功電流檢測的新算法
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關(guān)鍵詞：有源濾波器；諧波；無功電流
引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣，但是其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，以及電磁干擾等，也帶來了危害。另一方面，現(xiàn)代用電設(shè)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(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其研究和應(yīng)用越來越受到人們的重視。
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(fù)載的無功和諧波電流大小相等、方向相反的電流來補(bǔ)償無功和抑制諧波，稱為并聯(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(bǔ)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，無論采用哪一種，首先都必須將諧波和無功電流的值檢測出來。目前比較成熟的電流檢測方法主要有基于瞬時(shí)無功功率理論[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(biāo)變換，計(jì)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(xiàn)復(fù)雜，檢測精確不高的問題。
本文研究了一種諧波和無功電流檢測的新算法，并給出仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 諧波和無功電流檢測方法的原理
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/5881.htm圖1是并聯(lián)型有源濾波器的系統(tǒng)框圖，其基本原理是：通過檢測環(huán)節(jié)計(jì)算出負(fù)載的諧波和無功電流，然后控制逆變電路輸出，向電網(wǎng)注入與負(fù)載的無功和諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)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(xiàn)對諧波的濾波作用，又可以提供電力系統(tǒng)所需的無功電流，便可大大提高電能利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益。本文提出一種新的諧波和無功電流檢測算法，圖2為負(fù)載諧波和無功電流的檢測原理圖,圖中虛線框內(nèi)為直流側(cè)電壓控制部分。如圖2所示，首先檢測出實(shí)際負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓，對這6個量進(jìn)行計(jì)算即可得到所需的三相負(fù)載諧波和無功電流。
為簡單起見，假定電網(wǎng)電壓三相對稱、無畸變，則
負(fù)載電流iA，iB，iC可以表示為基波與諧波之和，即
考慮到負(fù)載不對稱，將電流分為正序、負(fù)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(fù)序、零序分量的幅值；
φ為功率因數(shù)角；
θ1－為基波負(fù)序的初始相位。
諧波電流也分為正序、負(fù)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(fù)序、零序分量的幅值；
θk＋及θk－為諧波正序、負(fù)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(dá)100Hz，經(jīng)過低通濾波，功率中的諧波分量可以濾去，只剩下穩(wěn)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(fù)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(fù)載諧波和無功電流，以此作為三相逆變器輸出的補(bǔ)償電流指令。
另外，有源濾波器運(yùn)行中應(yīng)維持逆變器直流側(cè)電壓Ud的恒定。圖2中虛線框中表示的是直流側(cè)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(diào)節(jié)器，輸出乘以實(shí)際直流測電壓Ud，結(jié)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(cè)電容從交流側(cè)獲得能量，補(bǔ)償有源濾波器的運(yùn)行功耗，從而使Ud穩(wěn)定在給定值Ud＊。 2 仿真和試驗(yàn)結(jié)果 采用MATLAB中的SIMULINK模塊對這種檢測算法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。由仿真波形可知該檢測算法計(jì)算出的基波有功電流同電網(wǎng)電壓完全同相位，且為標(biāo)準(zhǔn)正弦，這說明檢測出的諧波和無功電流是完全準(zhǔn)確的。 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)容量設(shè)計(jì)為6kW，電壓為三相380V，負(fù)載為電機(jī)和不控整流橋?？刂撇糠忠訲I公司的DSP芯片TMS320S2407為核心，諧波及無功電流檢測以及PWM脈沖信號的產(chǎn)生都由相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。 軟件中主要涉及到的功能模塊有：事件管理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、中斷服務(wù)程序。用T1定時(shí)器定時(shí)啟動A/D轉(zhuǎn)換，對電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、電網(wǎng)電流和直流側(cè)電壓依次采樣，設(shè)定采樣頻率為10kHz。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生ADC中斷，在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)算法,計(jì)算出諧波及無功電流即補(bǔ)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(diào)制法，將補(bǔ)償電流指令與實(shí)際的補(bǔ)償電流相比較，差值送入數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出與高頻三角載波進(jìn)行調(diào)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(xiàn)，頻率為10Hz。 將6路PWM控制信號送至驅(qū)動電路，最終通過IGBT產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)。整個系統(tǒng)的仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4及圖5所示。 實(shí)驗(yàn)和仿真有類似的結(jié)果。由圖5系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形可知，實(shí)際負(fù)載電流中含有大量的諧波及無功分量，電網(wǎng)電壓由于負(fù)載影響有部分畸變。經(jīng)過補(bǔ)償，電網(wǎng)電流基本為正弦，且與電壓同相位。 3 結(jié)語 本文提出的這種新的電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測算法可以檢測出包括基波無功電流、零序電流、負(fù)序電流及諧波電流在內(nèi)的所有有害電流。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)LPC900系列微控制器橋接人機(jī)界面，為日常應(yīng)用提供低功耗的小巧解決方案。 隨著消費(fèi)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(tǒng)中采用經(jīng)濟(jì)型的解決方案，以吸引這塊細(xì)分市場。為滿足市場需求，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(nèi)嵌了2個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。 LPC935是LPC900系列新出的9款微控制器中的旗艦芯片，通過2個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能同時(shí)在兩個通道（共有8個通道）轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)，例如可以同時(shí)讀取電壓和電流的測量結(jié)果，以便設(shè)計(jì)員進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。這些LPC935轉(zhuǎn)換器能在不到4μs的時(shí)間內(nèi)對這些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shè)備如咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、智能玩具等設(shè)計(jì)的，橋接人機(jī)界面，能完成模擬和數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域之間的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換。 每一款新出的LPC900微控制器，包括LPC904、LPC915/6/7、LPC924/5和LPC933/4/5，都精簡了外部元件，采用微型的集成封裝，使亞洲的設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商可以靈活地選擇使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換，或高速數(shù)/模輸出。通過LPC系列的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，這些公司在印制電路板上就不再需要使用單獨(dú)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。這些新微處理器還能提供定義數(shù)據(jù)邊界的功能，它能限定在哪個數(shù)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(nèi)執(zhí)行指令（比傳統(tǒng)的80C51提高了600％）的高性能處理架構(gòu)，應(yīng)用了字節(jié)可擦除閃存技術(shù)，以加強(qiáng)靈活性和改進(jìn)性能。LPC900有一個實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和三個16位計(jì)數(shù)器，增強(qiáng)了計(jì)時(shí)功能。另外還提供了串行通信信道，如400kHz字節(jié)寬的I2C總線，增強(qiáng)型UART和SPI。靈活的電源管理功能還可以延長手持應(yīng)用設(shè)備的電池壽命。
2 仿真和試驗(yàn)結(jié)果
采用MATLAB中的SIMULINK模塊對這種檢測算法進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。由仿真波形可知該檢測算法計(jì)算出的基波有功電流同電網(wǎng)電壓完全同相位，且為標(biāo)準(zhǔn)正弦，這說明檢測出的諧波和無功電流是完全準(zhǔn)確的。
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)容量設(shè)計(jì)為6kW，電壓為三相380V，負(fù)載為電機(jī)和不控整流橋?？刂撇糠忠訲I公司的DSP芯片TMS320S2407為核心，諧波及無功電流檢測以及PWM脈沖信號的產(chǎn)生都由相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)。
軟件中主要涉及到的功能模塊有：事件管理器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、中斷服務(wù)程序。用T1定時(shí)器定時(shí)啟動A/D轉(zhuǎn)換，對電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流、電網(wǎng)電流和直流側(cè)電壓依次采樣，設(shè)定采樣頻率為10kHz。A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生ADC中斷，在中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)算法,計(jì)算出諧波及無功電流即補(bǔ)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(diào)制法，將補(bǔ)償電流指令與實(shí)際的補(bǔ)償電流相比較，差值送入數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出與高頻三角載波進(jìn)行調(diào)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(xiàn)，頻率為10Hz。
將6路PWM控制信號送至驅(qū)動電路，最終通過IGBT產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)。整個系統(tǒng)的仿真結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4及圖5所示。
實(shí)驗(yàn)和仿真有類似的結(jié)果。由圖5系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形可知，實(shí)際負(fù)載電流中含有大量的諧波及無功分量，電網(wǎng)電壓由于負(fù)載影響有部分畸變。經(jīng)過補(bǔ)償，電網(wǎng)電流基本為正弦，且與電壓同相位。
3 結(jié)語
本文提出的這種新的電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測算法可以檢測出包括基波無功電流、零序電流、負(fù)序電流及諧波電流在內(nèi)的所有有害電流。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(jì)算準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)LPC900系列微控制器橋接人機(jī)界面，為日常應(yīng)用提供低功耗的小巧解決方案。
隨著消費(fèi)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(tǒng)中采用經(jīng)濟(jì)型的解決方案，以吸引這塊細(xì)分市場。為滿足市場需求，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(nèi)嵌了2個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
LPC935是LPC900系列新出的9款微控制器中的旗艦芯片，通過2個模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能同時(shí)在兩個通道（共有8個通道）轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)，例如可以同時(shí)讀取電壓和電流的測量結(jié)果，以便設(shè)計(jì)員進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。這些LPC935轉(zhuǎn)換器能在不到4μs的時(shí)間內(nèi)對這些信號進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shè)備如咖啡機(jī)、洗衣機(jī)、智能玩具等設(shè)計(jì)的，橋接人機(jī)界面，能完成模擬和數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域之間的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換。
每一款新出的LPC900微控制器，包括LPC904、LPC915/6/7、LPC924/5和LPC933/4/5，都精簡了外部元件，采用微型的集成封裝，使亞洲的設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)商可以靈活地選擇使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換，或高速數(shù)/模輸出。通過LPC系列的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，這些公司在印制電路板上就不再需要使用單獨(dú)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。這些新微處理器還能提供定義數(shù)據(jù)邊界的功能，它能限定在哪個數(shù)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(nèi)執(zhí)行指令（比傳統(tǒng)的80C51提高了600％）的高性能處理架構(gòu)，應(yīng)用了字節(jié)可擦除閃存技術(shù)，以加強(qiáng)靈活性和改進(jìn)性能。LPC900有一個實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和三個16位計(jì)數(shù)器，增強(qiáng)了計(jì)時(shí)功能。另外還提供了串行通信信道，如400kHz字節(jié)寬的I2C總線，增強(qiáng)型UART和SPI。靈活的電源管理功能還可以延長手持應(yīng)用設(shè)備的電池壽命。
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