農(nóng)村電網(wǎng)中諧波與無功電流檢測(cè)方法研究

郭瑋，曹靖，陳祖建

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 畜牧獸醫(yī)系，北京102442；3.倫茨（上海）傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海200000）

農(nóng)村電網(wǎng)是以變電、輸電和分配電能為主要功能，是協(xié)調(diào)農(nóng)村電力生產(chǎn)、分配、輸送和消費(fèi)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前我國(guó)農(nóng)網(wǎng)仍存在功率因數(shù)低、電壓質(zhì)量差、無功缺額大、滯后大等問題，而且隨著農(nóng)村電網(wǎng)向智能化、國(guó)際化水平發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量提出了明確的要求，因而改善農(nóng)村電網(wǎng)中電能質(zhì)量的研究刻不容緩。諧波與無功電流是影響電能質(zhì)量的主要因素?，F(xiàn)有的諧波檢測(cè)方法主要有：基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法、模擬濾波器法、基于fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法、基于FFT的諧波檢測(cè)法、基于小波變換的諧波檢測(cè)法、基于自適應(yīng)算法的諧波檢測(cè)法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法等［1］。針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷分散、分布廣、線路供電半徑較長(zhǎng)、發(fā)展不平衡等特點(diǎn)［2］，模擬濾波器法誤差較大；FFT法計(jì)算量大，延時(shí)長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；自適應(yīng)算法針對(duì)電網(wǎng)不對(duì)稱時(shí)檢測(cè)誤差較大［3］；基于小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)方法是兩種新方法，理論性較強(qiáng)，計(jì)算量大，要依賴高性能的計(jì)算設(shè)備，不適合農(nóng)村電網(wǎng)；基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法實(shí)時(shí)性好，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，延時(shí)小，易于實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)精度高，適合農(nóng)村電網(wǎng)的諧波檢測(cè)［4］。

基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波與無功電流檢測(cè)方法主要有p－q法、ip－iq法和d－q法，論文針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)中的諧波與無功電流，采用上述3種方法進(jìn)行了 MATLAB／SIMULINK仿真研究，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，通過比較提出了各種方法的適用場(chǎng)合。

1 諧波與無功電流

諧波是電氣量頻率大于1的整數(shù)倍基波頻率的正弦波分量，常稱為高次諧波。農(nóng)村電網(wǎng)中的諧波主要是由非線性負(fù)載和變流設(shè)備產(chǎn)生。諧波具有以下危害［5］：降低了農(nóng)村電網(wǎng)的效率、影響農(nóng)村電氣設(shè)備的正常工作、引起農(nóng)村電網(wǎng)中局部的諧振導(dǎo)致諧波放大、對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等。隨著農(nóng)村現(xiàn)代化電力設(shè)備的增加，農(nóng)村電網(wǎng)諧波問題日益嚴(yán)重，解決農(nóng)村電網(wǎng)的諧波問題勢(shì)在必行［6］。

無功電流是用來表征無功功率大小的，是電路內(nèi)磁場(chǎng)和電場(chǎng)相互交換的電能。它可使農(nóng)村電網(wǎng)線路和設(shè)備的損耗增加，使供電質(zhì)量降低。

2 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波與無功電流檢測(cè)方法

日本學(xué)者H.Akagi 1983年提出瞬時(shí)無功功率理論，p－q法［5，7］和法，它們均能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)三相對(duì)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1所示。

圖1 ip－iq運(yùn)算方式原理圖Fig.1 System of ip－iqdetection method

圖2 d－q檢測(cè)法的原理圖Fig.2 System of d－q detection method

ip－iq法中，首先經(jīng)LPF濾波得出ip、iq的直流分量，接著由可計(jì)算出iaf、ibf、icf。將二者相減，便得到諧波分量iah、ibh、ich。

ip－iq法在當(dāng)電壓有畸變時(shí)仍能檢測(cè)出諧波電流，但當(dāng)電壓畸變時(shí)卻無法檢測(cè)出基波電流的有功分量［9］。針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)的特殊性，論文提出了d－q法，它是在d－q－0坐標(biāo)變換的理論基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化而來，變換后的信號(hào)頻率與原信號(hào)相差一個(gè)基波頻率，即50Hz。經(jīng)d－q－0變換后，abc坐標(biāo)系下的三相對(duì)稱正序基波電流、電壓分量轉(zhuǎn)換為d－q－0坐標(biāo)系下的直流分量，而其余需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹C波在d－q－0坐標(biāo)系則呈現(xiàn)交流分量，就為諧波檢測(cè)和補(bǔ)償分量提供了方便。經(jīng)d－q變換后，可得到準(zhǔn)確的基波有功電流［10］。由于該方法只借助于構(gòu)造正弦和余弦函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)與相電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的Park變換，其檢測(cè)結(jié)果的精度不受系統(tǒng)電壓畸變與否的影響。d－q法的原理圖如圖2所示。其中，

3 仿真研究

采用 MATLAB7.1／SIMULINT［11］軟件分別對(duì)3種檢測(cè)方法進(jìn)行仿真研究。當(dāng)農(nóng)村電網(wǎng)電壓無畸變時(shí)電壓源均采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，而當(dāng)農(nóng)村電網(wǎng)電壓有畸變時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓的基礎(chǔ)上加上5次、7次諧波［12］。d－q法的仿真框圖如圖3所示。

圖3 d－q檢測(cè)法的仿真Fig.3 Simulation of d－q detection method

4 仿真結(jié)果

4.1 農(nóng)村電網(wǎng)電壓無畸變

當(dāng)農(nóng)村電網(wǎng)電壓無畸變時(shí)，3種檢測(cè)方法的結(jié)果一樣，a相基波電流，諧波電流，諧波與無功電流分別如圖4所示。

圖4（a） a相基波電流Fig.4（a） Fundamental current of a phase

圖4（b） a相諧波電流Fig.4（b） Harmonic current of a phase

圖4（c） a相諧波與無功電流Fig.4（c） Harmonic and reactive current of a phase

4.2 農(nóng)村電網(wǎng)電壓有畸變

圖5（a） p－q檢測(cè)法的a相電流Fig.5（a） A phase current by p－q method

當(dāng)農(nóng)村電網(wǎng)電壓有畸變時(shí)（在a相正弦波電壓基礎(chǔ)上加上5次諧波作為畸變電壓），經(jīng)3種檢測(cè)方法的a相基波電流分別如圖5（a）、5（b）、5（c）所示。

圖5（b） ip－iq檢測(cè)法的a相電流Fig.5（b） A phase current by ip－iqmethod

圖5（c） d－q檢測(cè)法的a相電流Fig.5（c） A phase current by d－q method

由圖5可以看出，在農(nóng)村電網(wǎng)中，電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，p－q檢測(cè)法得到的基波電流畸變最為厲害，ip－iq法較為接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而d－q法得到的基波電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形式，與電網(wǎng)電壓沒有畸變時(shí)的基波電流一樣，說明d－q法不受電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱電壓的影響，而且將基波分量在d－q坐標(biāo)中變換到零頻率處。

5 結(jié)論

論文對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)中的諧波與無功電流檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，并指出適合農(nóng)村電網(wǎng)的方法是基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波與無功電流檢測(cè)方法，并對(duì)p－q法、ip－iq法、d－q法進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明，農(nóng)村電網(wǎng)電壓沒有發(fā)生畸變時(shí)，p－q法、ip－iq法、d－q法的檢測(cè)結(jié)果都是正確的。而當(dāng)農(nóng)村電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，p－q法的檢測(cè)結(jié)果有著較大的誤差，ip－iq法雖能能檢測(cè)出諧波，但是精確度不高，而且無法檢測(cè)出基波有功電流。而d－q法對(duì)三相電流進(jìn)行d－q變換，不僅可檢測(cè)出諧波電流，還能得到準(zhǔn)確的基波有功電流，且不受電源畸變與否的影響。該方法能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的跟蹤電網(wǎng)諧波電流變化，其檢測(cè)精確度和準(zhǔn)確度都負(fù)荷農(nóng)村電網(wǎng)的要求。

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