基于ip-iq法和APF的海洋牧場分布式電源諧波檢測與抑制方法研究*

吳作勛，鄭書河，李傳棟

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福州市，350100；2.福建省電力試驗研究院，福州市，350007)

0 引言

現(xiàn)代化的海洋牧場[1-3]是集漁業(yè)養(yǎng)殖、風(fēng)力光伏發(fā)電、商務(wù)活動、度假旅游以及科研等為一體的綜合基地，是一個自動化設(shè)備較多、用電負(fù)荷較大的漁場。然而海洋牧場是電網(wǎng)難以到達(dá)的地方，風(fēng)光互補分布式電源[4-8]可以利用海洋的風(fēng)能、太陽能發(fā)電，為海洋牧場的用電設(shè)備供電。由于分布式發(fā)電的電力電子逆變器裝置，以及海洋牧場的非線性負(fù)載都會使供電線路產(chǎn)生大量的諧波，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量，縮短用電設(shè)備的使用壽命和降低供電效率。改善海洋牧場分布式電源的電能質(zhì)量很大程度是對諧波的抑制，而抑制諧波的前提條件是如何快速和精確地檢測諧波。常見傅里葉分析法[9]檢測諧波，其計算量大、實時性不好。使用p-q法[10]檢測諧波，在電源電壓畸變或負(fù)載不對稱時所檢測出的結(jié)果不準(zhǔn)確。在抑制諧波方面，PPF(無源濾波器)[11-13]可以濾除諧波，但是它有發(fā)生諧振的可能性，補償效果差。UPQC[14-15](統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器)采用了串并聯(lián)型有源濾波器，其抑制諧波效果好，但是它使用的裝置多，成本過高，不利于推廣。

本文采用基于瞬時無功理論的ip-iq法[16-17]檢測諧波，它突破了平均值的定義，實時性好；而且不受電壓波形畸變影響，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。采用并聯(lián)型APF(有源濾波器)[18-20]削弱諧波，它能抑制諧振，且硬件電路簡單，性價比高。

1 諧波檢測

分布式電源中的諧波主要由非線性負(fù)載和大量電力電子設(shè)備使用所引起，表現(xiàn)為頻率大于基波的整數(shù)倍，如式(1)，n=1為基波，n>1為諧波。

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傳統(tǒng)的諧波檢測方法是根據(jù)傅里葉級數(shù)，采集一個周期的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終得到所測的諧波。但是需要先根據(jù)采集到的單個電源周期電流值進(jìn)行FFT分解，獲得各次諧波的相位和幅值后，再進(jìn)行FFT反變換，該方法的缺點是需要進(jìn)行兩次傅里葉變換，計算量大；同時需要整個周期的電流值，實時性不好?；谒矔r無功功率理論的p-q計算法突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)功率的定義，雖能縮短檢測的時間，但是在電網(wǎng)電壓畸變時所檢測出的諧波分量不準(zhǔn)確。而采用基于瞬時無功理論的ip-iq計算法檢測時，由于只取sinωt、-cosωt參加運算，畸變電壓的諧波成分在運算過程中不出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變影響，檢測結(jié)果是準(zhǔn)確的。

圖1為ip-iq工作原理圖。具體運算過程如下。

圖1 基于瞬時無功理論的ip-iq方法檢測諧波Fig.1 ip-iq harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory

首先，通過C32矩陣變換，使三相電流變換至圖2的以α、β為直角坐標(biāo)系中的二相電流iα，iβ。

圖2 α、β直角坐標(biāo)系中電流、電壓的矢量圖Fig.2 Vector of current and voltage in α,β coordinate system

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其次，利用C變換，把二相電流iα，iβ轉(zhuǎn)換成電流的有功、無功分量ip，iq。

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最后，將三相電流ia，ib，ic分別減去三相基波電流iaf，ibf，icf，便可以獲得分布式電源電流的諧波電流iah，ibh，ich。

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2 諧波抑制

諧波抑制的方法是通過APF(有源濾波器)產(chǎn)生與檢測諧波電流大小相同、相位相反的補償諧波，補償諧波與檢測諧波相加后，很大程度上削弱了總諧波電流。有源濾波器通常有串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種類型。串聯(lián)型適用于電容濾波型電路，一般作為電壓源工作。并聯(lián)型適用于帶阻感負(fù)載的電路，一般作為電流源工作。由于海洋牧場的用電設(shè)備大多是阻感的負(fù)載，如照明設(shè)備，電機等。因此本設(shè)計使用的是并聯(lián)型有源濾波器，如圖3所示。

圖3 并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.3 System structure diagram of parallel APF

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圖4 采用滯環(huán)比較器的電流跟蹤閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Closed-loop current tracking control structure using hysteresis comparator

圖5 跟蹤電流與指令電流的波形圖Fig.5 Waveform of tracking current and instruction current

滯環(huán)控制具有如下優(yōu)點：硬件電路簡單，電流響應(yīng)快，不需要載波比較，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，同時，它是閉環(huán)控制，準(zhǔn)確性高。因此采用滯環(huán)比較的跟蹤控制可以使輸出補償電流icom具有很好的準(zhǔn)確性和實時性。

3 仿真分析

為了證明ip-iq方法和并聯(lián)APF對諧波檢測和抑制的有效性，構(gòu)建仿真試驗?zāi)Ｐ?，如圖6所示。

圖6 海洋牧場分布式電源諧波檢測與抑制的仿真模型Fig.6 Simulation model for marine ranching DG harmonic detection and suppression

由于本文側(cè)重于改善分布式電源的電能質(zhì)量，對電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不予考慮，只考慮電源的外部特性。無論是光伏發(fā)電還是風(fēng)力發(fā)電都近似等效于逆變前的直流狀態(tài)，該模型用直流電源配合逆變器當(dāng)作海洋牧場風(fēng)光互補式供電電源，另外帶有6脈沖發(fā)生器的非線性負(fù)載作為諧波源、ip-iq法檢測諧波模塊、APF諧波補償模塊等。

3.1 諧波檢測結(jié)果

圖7中黑色實線為采用ip-iq法檢測出的一相諧波電流，它證明了諧波可以被實時檢測，黑色虛線為APF根據(jù)檢測到的諧波產(chǎn)生的補償諧波。為比較檢測與補償?shù)男Ч谠囼炛性O(shè)置0.04 s后APF諧波補償裝置開始動作，與設(shè)計預(yù)期的結(jié)果一致，0.04 s后產(chǎn)生的補償諧波與檢測諧波大小相等，相位相反。

圖7 一相電流的諧波檢測與諧波補償Fig.7 Harmonic detection and suppression of one-phase current

3.2 諧波抑制效果對比

抑制諧波的本質(zhì)就是把補償諧波流入電網(wǎng)。在試驗中設(shè)置0.04 s后補償裝置動作，也就是說，0.04 s之前是沒有抑制諧波的效果，0.04 s之后是有抑制的效果。圖8，圖9為一相和三相諧波電流補償前后的效果對比。非常明顯，抑制前的電流波形是畸變的，抑制后的電流接近正弦波。

圖8 采用并聯(lián)APF抑制諧波前后一相電流效果對比Fig.8 Comparison of one-phase current before and after harmonic suppression by parallel APF

圖9 采用并聯(lián)APF抑制諧波前后三相電流效果對比Fig.9 Comparison of three-phase current before and after harmonic suppression by parallel APF

圖10(a)為未采用諧波抑制技術(shù)時的分布式電源電流參數(shù)分析，此時電流的THD(總諧波畸變率)為16.77%。圖10(c)為采用ip-iq法檢測諧波與APF抑制諧波后的電源電流參數(shù)分析，補償后的THD下降到4.44%，總諧波畸變率下降了12.33%。很顯然，ip-iq法檢測諧波，并聯(lián)型APF抑制諧波對諧波的削弱有很好的效果。

(a)未采用諧波抑制技術(shù)

p-q法雖然也能實時檢測諧波，但在電壓波形畸變或負(fù)載有不對稱分量時檢測諧波不準(zhǔn)確。而ip-iq法利用鎖相環(huán)引入了標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)電壓作為參考信號，避免了上述因素的影響。因此，ip-iq法在諧波檢測的準(zhǔn)確性上優(yōu)于p-q法，故抑制諧波的效果要更好，ip-iq法檢測并抑制諧波后的總諧波畸變會更小。如圖10(b)與圖10(c)所示：采用ip-iq法后的THD為4.44%，采用p-q法后的THD為4.55%，ip-iq法比p-q法的THD減少了0.11%。

為了進(jìn)一步驗證二者在性能上的差異，在試驗中設(shè)置了不對稱非線性負(fù)載6脈沖發(fā)生器的觸發(fā)角，使系統(tǒng)工作在各種不同的非線性不對稱負(fù)載情況下。試驗數(shù)據(jù)如表1，采用ip-iq檢測并抑制諧波在總體上是優(yōu)于p-q法。

表1 在不同觸發(fā)角下ip-iq法與p-q法的效果比較Tab.1 Comparison of using ip-iq and p-q detection methods with different trigger angle

觸發(fā)角為40°～50°附近時，ip-iq法的優(yōu)勢更為明顯。當(dāng)觸發(fā)角40°時，ip-iq法的THD為8.85%，p-q法的THD為9.88%，ip-iq法比p-q法的THD減少了1.03%。測量此時的功率因素，相電流比相電壓有一定的滯后，即電路負(fù)載為感性，如圖11所示。海洋牧場的主要負(fù)載三相異步電動機是典型的感性負(fù)載。因此，采用ip-iq檢測并抑制諧波適用于改善海洋牧場分布式電源的電能質(zhì)量。

圖11 感性負(fù)載時的電壓與電流的相位關(guān)系Fig.11 Phase relationship between voltage and current under inductive load

4 結(jié)論

本文針對海洋牧場孤島式分布式電源的電能質(zhì)量中的諧波問題，在諧波檢測方面提出了基于瞬時無功功率理論的ip-iq法，通過仿真試驗證實其能夠?qū)⒎植际诫娫吹幕ǚ蛛x，準(zhǔn)確地檢測出諧波源產(chǎn)生的諧波電流。并且ip-iq法準(zhǔn)確性優(yōu)于p-q法，特別是在不對稱非線性負(fù)載6脈沖發(fā)生器的觸發(fā)角為40°(負(fù)載為感性)時，ip-iq法的THD比p-q法的減少了1.03%。因此，ip-iq法對海洋牧場感性負(fù)載電路的諧波檢測具有更明顯優(yōu)勢。

在抑制諧波方面，本文提出使用并聯(lián)型APF(有源濾波器)，它能產(chǎn)生與檢測諧波大小相同、相位相反的補償諧波，補償諧波電流流入供電線路后，能有效地抑制線路電流的諧波分量。采用滯環(huán)比較器跟蹤補償諧波的指令信號，控制實際的補償諧波，可以極大程度地提高補償?shù)木?。試驗的結(jié)果表明，采用并聯(lián)型APF抑制諧波，THD從未抑制的16.77%下降到4.44%。ip-iq法檢測諧波且配合并聯(lián)型APF抑制諧波，適用于海洋牧場分布式電源的電能質(zhì)量的改善。