三相電路諧波的檢測與建模

1、三相電路諧波的檢測與建模作者:日期:三相電路諧波的檢測與建模鄧濤趙旭曹陽徐倫（1.三江學(xué)院 電工電子實驗中心，江蘇 南京2100122.三江學(xué)院 電氣及其自動化工程學(xué)院，江蘇南京210012）摘 要：電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，對純凈電網(wǎng)的要求越來越高。諧波作為影響電網(wǎng)質(zhì)量最主要的因 數(shù)之一，對諧波的檢測也就非常重要。筆者以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)， 研究用該理論檢測諧波的兩 種重要方法，比較這兩種方法的優(yōu)缺點，確定一種最適合的檢測方法，建立仿真模型。關(guān)鍵詞：諧波；無功功率；建模；仿真一、引言電能質(zhì)量監(jiān)測是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)之一，諧波問題是電能質(zhì)量中的一個重要問題。國家有關(guān)部 門非常重視對電力系統(tǒng)諧

2、波畸變的監(jiān)測，電力系統(tǒng)、電力電子、電動機(jī)、供配電等專業(yè)和所有涉及電 力電子應(yīng)用的工業(yè)部門都把諧波干擾及其分析處理作為重要技術(shù)課題。八十年代日本學(xué)者赤木泰文提出了瞬時無功功率理論， 該理論認(rèn)為通過分離出三相電流中的有功 電流和無功電流可以實現(xiàn)諧波電流的檢測， 此方法具有很好的實時性；該理論還衍生出若干諧波的數(shù) 學(xué)模型檢測方法。本文采用仿真軟件MATLAB（MATLAB R2014a）中的SIMULINK模塊，根據(jù)檢測方法的數(shù)學(xué)模型 調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，構(gòu)成仿真模型。二、電網(wǎng)中的諧波檢測（一）諧波的產(chǎn)生大量非線性設(shè)備（包括UPS開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等）和傳統(tǒng)變壓器、鐵芯電抗器等的廣泛使

3、用，使電網(wǎng)中產(chǎn)生了諧波。收稿日期：2016-04-01作者簡介：鄧濤（1993-）學(xué)生電氣與自動化工程學(xué)院研究方向:電氣工程及其自動化趙旭（1994-）學(xué)生電氣與自動化工程學(xué)院研究方向:電氣工程及其自動化曹陽（1995-）學(xué)生電氣與自動化工程學(xué)院研究方向:電氣工程及其自動化（二）諧波的危害（1）會引起過負(fù)荷和發(fā)熱；（2）增加介質(zhì)應(yīng)力和過電壓；（3）危害保護(hù)控制設(shè)備性能、干擾其正常工作。（三）諧波的檢測1傳統(tǒng)的檢測方法（1）模擬濾波器：將諧波源中的基波濾除，得到諧波。但是此方法完全采用模擬技術(shù)，很難實 現(xiàn)檢測。（2）帶通濾波器：將諧波源經(jīng)過此濾波器，得到其基波分量，把諧波源與基波相減，可得其諧

4、波分量。由于技術(shù)難以實現(xiàn)，故很少使用。2.目前的檢測方法（1）傅里葉分析法：該方法在傳統(tǒng)的檢測方法上提高了速度與準(zhǔn)確性，目前應(yīng)用較為廣泛。但 是，其計算量大，實時性較差。（2）基于瞬時無功功率的瞬時空間矢量法：大大提高了檢測的實時性與準(zhǔn)確性，是目前發(fā)展較 快的一種檢測技術(shù)。三、瞬時無功功率理論的應(yīng)用（一）設(shè)三相電路各相電壓的瞬時值分別 ea、eb、ec,各項電流的瞬時值分別為ia、ib、ic，把它們變換到三相正交 的：一-坐標(biāo)系。得式、式（2）式（1 ）、（2）中C32-1/23/2-1/2-3/2ealC32eb(1)(2)在-平面上，矢量 e .、eii、i 分別合成（旋轉(zhuǎn)）電壓矢量e和電

5、流矢量i。得式（3）、式（4）式中e，i為矢量e， i的模。e=e：+e：=eE 飛i = i ：+ i f= i._ i(3)(4)三相電路瞬時有功電流ip（瞬時無功電流iq）為矢量i在矢量e（ e的法線）上的投影。得式（5），式（6）ip = i cos(5)iq = i sin(6)式（5）,（6）中 二 e -：i三相電路瞬時無功功率 q （瞬時有功功率p）為電壓矢量e的模與三相電路瞬時無功電流iq （瞬時有功電流ip）的乘積。得式（7），式（8）p=e ip(7)q=e iq(8)經(jīng)變換可得式（9）P=卜叭阿q即-4（二）基于無功功率的兩種檢測方法1. p q檢測法（1）計算p和q；

6、（2）經(jīng)低通濾波（LPF）得p，q的直流分量p，；（3）矩陣Cpq的逆變換，得Cpq-1 ；（4）ia、ib、ic 的基波分量 iaf、ibf、icf；(9)i bf =C23Cpq- I-一 P 一 q-4"3(10)（5）將ia、ib、ic與iaf、ibf、G相減，即可得出諧波分量iah、ibh、咕。2.ip iq檢測法根據(jù)瞬時無功功率理論，我們可推導(dǎo)出瞬時有功電流i p和瞬時無功電流iq的表達(dá)式:ip sin t(ill-co-t-cos t i: -sin t |i ： J（11）該方法需要A相電網(wǎng)電壓Ua同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號（1）根據(jù)公式計算出i p、iq ；（

7、2）低通經(jīng)濾波器（LPF），得ip、iq的直流分量ip、iq ；（3）由反變換計算出iaf、咕、icf，_sin t(12)（4）將 ia、ib、ic與 iaf、ibf、icf相減，可得諧波分量iah> ibh、ich。（三）兩種檢測方法的比較（1）ip iq法只需三相電流的瞬時電流和某相（如 A相）電網(wǎng)電壓的頻率或周期信息，因此外部檢測電路比較 簡單。（2）ip iq法采用內(nèi)部的參考正弦信號，沒有直接使用系統(tǒng)電壓信息參與運(yùn)算，不受電網(wǎng)電壓畸變或不對稱影響，因此結(jié)果更加準(zhǔn)確?？偨Y(jié)：對比這兩種檢測方法，我們可明顯看出，ip iq檢測法的檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確且更適應(yīng)各種電壓。因而本文著重對ip

8、iq法進(jìn)行建模與仿真。四、三相電路諧波檢測的建模與仿真（一）諧波源的產(chǎn)生MATLAB 的SIMULINK 模塊，用三個AC Voltage Source模塊構(gòu)成三相交流電源，用六個Diode模塊構(gòu)成三相整流橋，用Series RLC Branch模塊模擬負(fù)載。其中三個AC Voltage Source模塊參數(shù)設(shè)置為相電壓 220V，頻率為50Hz，相位各差120度，電阻R取20歐姆，電感L取零，電容C取inf（無窮大），如圖1所示4 - B-帕鼻鼻口 |型 +m rtffir ftjiAC VoH»» ourca-3 Cunvrt fclanri remart©丁

9、M Voyage Scoree-ldimert Medmjmcnl I©-Q一桿.Voyage- Source託 urneri MeastawnliQO伽帕嘔oaJ*»口Vriksj:h &xb4 "iV-s3R圖1三相整流橋的模塊模擬負(fù)載圖其產(chǎn)生的諧波源波形，如圖2所示由式（13）,hl：=C32 ib 4.i otlJPJ，i:-ib3?"）（ 13）可得仿真模型如圖3所示圖3 C32變換仿真圖-cos t i: -sin t |i I(14)圖4 ip, iq運(yùn)算仿真圖ip sin，tI = Iiq-COSJtip 二 i:sin ，t -

10、 i cos t iq - -i: cos t -i si nt仿真圖如圖4所示選用的低通濾波器為Analog Filter Design，階數(shù)設(shè)為2階，帶通頻率為 80Hz。diibf=C23|sin®-cosJ |PcosJ-sinqicfL- -Jiaf(15)(16)仿真圖如圖5所示* iria圖5 C23變換仿真圖將諧波源ia、ib、ic與基波分量iaf、ibf、icf相減，可得諧波分量iah、ibh、ich。ia、ib、ic與iaf、ibf、icf相減，即可得出諧波分量iah> ibh> ich；測得的基波分量波形如圖 6所示圖6三相基波分量波形圖諧波分量的波

11、形如圖 7整體仿真圖為如圖8所示A.1圖8整體仿真圖以上就是根據(jù)ip iq法建立的MATLAB的仿真圖，通過對低通濾波器參數(shù)的設(shè)置，使諧波完全分離，達(dá)到準(zhǔn)確檢測諧波的要求。結(jié)束語筆者通過對瞬時無功功率理論的研討，建立以該理論為基礎(chǔ)檢測諧波的一種重要方法；并以該方 法為數(shù)學(xué)模型建立對應(yīng)的仿真模型，通過對模型參數(shù)的合理設(shè)置，初步達(dá)到了準(zhǔn)確檢測諧波的目的。參考文獻(xiàn)1陶駿.基于綜合矢量的功率定義及在無功和諧波電流的檢測中的應(yīng)用M.中國科學(xué)院等離子物理研究所 2001 : 26-28.2 楊君.三相電路諧波電流兩種檢測方法的對比研究J.西安：電工技術(shù)學(xué)報，1995.05.44-47.3 郭建坡.瞬時無功

12、功率理論在諧波電流檢測中的應(yīng)用R.河北：河北理工學(xué)院報，2004.57-59.1. 專著參考文獻(xiàn)格式：序號作者.書名.出版地：出版社，出版年：引文頁碼。如如： 1余敏出版集團(tuán)研究M.北京：中國書籍出版社，2001:179 193.2. 期刊參考文獻(xiàn)格式：序號 作者.論文標(biāo)題J.期刊名,年（期）：頁碼.如如： 2黃繼剛.空間批評和文化意義生成J.溫州大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2012（ 4）：1038 43.Three-phase circuit of harm onic detect ion and modeli ngDeng tao Zhaoxu Caoyang Xu lun1)Experime

13、 ntal Cen ter of Electricia n& Electro n, Sanjia ng Uni versity, Jia ngsu Nanji ng 2100122) School of Electronic and automation Engineering, Sanjiang University, Jiangsu Nanjing 210012Abstract: With the rapid developme nt of power electro nic tech no logy, more and more high to the requireme nt of pure power grid. As one of the most main factor affect the quality of power grid harm oni cs, so for the harm onic detect ion of n ature is very importa nt. Is based on in sta ntan eous reactive power theory, this paper studies two kinds of importa nt method to detect harm onic bas