諧波及無功電流檢測方法對比分析

　　用自適應噪聲抵消法進行諧波檢測，取iL作為原始輸入，若將i=i1+i2+……in看作“噪聲干擾電流”，則其他更高次諧波的總電流ih就是需要檢測的“信號”，i和ih不相關;取sinωt,cosωt以及它們的2、3、……、n次等倍頻諧波作為參考輸入，它們和i對應的各次正弦和余弦分量分別相關，而和ih不相關。可以看出，上述條件滿足自適應噪聲抵消法的要求，當選用適當的多路自適應濾波器并采用最小均方算法后，可以通過多路自適應濾波器得到“噪聲干擾電流”i的各分量以及“信號”ih的最小均方誤差意義下的最佳逼近值。從上述分析可以看出：

　　1)檢測總諧波電流只取sinωt，cosωt作為參考輸入，ANN學習完成之后，系統的輸出z(t)即為總諧波電流。

　　2)檢測奇次諧波電流取sinωt，cosωt以及sin(2k+1)ωt，cos(2k+1)ωt(3<=2k+1<=n，k為正整數)等作為參考輸入，ANN學習完成之后i2k+1=w(2k+1)s×sin(2k+1)ωt+w(2k+1)c×cos(2k+1)ωt，就是對應的奇次諧波電流的值。

　　3)檢測偶次諧波電流取sinωt，cosωt以及sin2kωt，cos2kωt(2≤2k≤n,k為正整數)等作為參考輸入，ANN學習完成之后i2k(t)=w2ks×sin2kωt+w2kc×cos2kωt，就是對應的偶次諧波電流的值。

　　3 基于瞬時無功功率理論的畸變電流瞬時檢測方法

　　瞬時無功功率理論[1]的基本思路是將abc三相系統電壓、電流轉換成αβο坐標系上的矢量，將電壓、電流矢量的點積定義為瞬時有功功率;將電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，然后再將這些功率逆變為三相補償電流。瞬時無功功率理論突破了傳統功率理論在“平均值”基礎上的功率定義，使諧波及無功電流的實時檢測成為可能。該方法對于三相平衡系統的瞬變電流檢測具有較好的實時性，有利于系統的快速控制，可以獲得較好的補償效果。但該方法對于三相不平衡負荷所產生的無功和諧波電流，補償效果則不理想，且只適用于三相系統，不能用于單相系統。

　　3.1 開環檢測方案

　　基于瞬時無功功率理論的諧波及無功電流開環檢測方案[2]如圖4所示。

　　圖4 基于瞬時無功理論的電流檢測

　　圖4中，LPF為低通濾波器，變換矩陣C3s/2r為三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系(dq坐標系)的變換陣。在諧波及無功電流的檢測系統中，首先檢測基波有功電流，然后從三相負載電流中減去基波有功電流，從而獲得諧波及無功電流。根據瞬時無功功率理論，可以推導如下結論[3][4]：三相負載電流經過dq變換，得到有功電流ip和無功電流iq(圖4中未畫出)。基波有功電流在dq坐標系下表現為電流ip中的直流分量。在dq坐標系下，將有功電流ip進行低通濾波得到直流分量，經過dq反變換可以得到基波有功電流。上述檢測方案具有動態響應快、實時性好的優點。但是，由于電路采用開環結構，檢測系統魯棒性較差，需要采用高精度模擬乘法器[5]。

　　3.2 閉環檢測方案

　　為了增強檢測系統的魯棒性，將閉環拓撲結構與瞬時無功功率理論的原理結合起來，可以構造出如圖5所示的閉環檢測電路[6]。

　　圖5 基于瞬時無功功率理論的諧波電流閉環檢測

　　圖5中，G(s)與圖4中的LPF不同，指一般的傳遞函數。諧波及無功電流檢測的基本原理與圖4相同，也是先獲得基波有功電流，然后從負載電流中減去基波有功電流，從而得到諧波及無功電流。

　　4 仿真和實驗驗證

　　為驗證所提出的諧波電流檢測方法，進行了仿真和實驗驗證，結果如圖6所示。

　　(a) 負載電流(iL)

　　(b) APF補償電流(ic)

　　(c) 檢測出的基波電流(ip)

　　(d) 實驗波形(從上到下依次為：iL，ic，ip)

　　圖6 諧波檢測電路驗證

　　實驗結果表明該方法具有下述優點：

　　1)基于統一模型的閉環檢測法以瞬時無功功率理論為基礎，因而能清晰地解析出各次諧波、無功及基波有功電流;

　　2)由于采用閉環系統，檢測電路的運行特性幾乎不受參數變化的影響;

　　3)優異的性能并沒有增加系統的復雜性和制造成本。

　　5 結語

　　本文提出了一種簡便的基于瞬時無功功率理論的自適應閉環系統，以檢測諧波及無功電流，通過實驗驗證了理論分析：

　　1)基于瞬時無功功率理論的諧波及電流檢測方法能準確、快速地解析出各次諧波、無功及基波有功電流;

　　2)由于采用自適應閉環系統，檢測電路特性對參數變化不敏感，魯棒性好;

　　3)該方案性能優異而且結構簡單，在有源電力濾波器系統中有相當好的應用前景。