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【摘 要】针对现在有源电力滤波器中谐波检测的缺陷，设计出一种数字低通滤波器。分析了ip-iq谐波电流检测算法，并研制出谐波检测电路。实验结果验证了谐波检测的快速性和准确性，系统运行稳定可靠，有较好的应用前景。
【关键词】低通滤波器;瞬时无功功率;谐波检测
中图分类号：TP1 文献标识码：A
Abstract：For the defects of harmonics detection of the active power filter，digital low pass filter is designed.The harmonic current detection method ip-i q is analyzed as well as the harmonics detection circuit is designed.Experimental results verify the speed and accuracy of the harmonic detection method.This system is steady and easy to run，showing a great prospect.
Key words：Digital low pass filter;Instantaneous reactive power;Harmonics detection
1 引言
在数字低通滤波器设计中，高精度及实时性的谐波检测是高性能补偿的关键，采用数字低通滤波器的谐波检测电路与高通滤波器相比较无论从设计制造上还是从动态响应过程和检测精度方面都有优势。本文基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法，对数字低通滤波器谐波检测方法进行了仿真研究，针对仿真结果分析了数字低通滤波器对谐波检测效果的影响，证明了这种方法的优越性。
2 基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法
针对数字低通滤波器谐波电流检测法实时性好，延时小，既能检测谐波又能补偿无功的特点，[1-2]本文采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法。瞬时无功功率理论是将三相电流变换到
、
坐标，大大地简化了负载有功功率和无功功率的计算，在检测三相
电路谐波及无功电流中得到了广泛的应用。经坐标变换后，电网基波电流的瞬时无功功率和有功功率在、
坐标系中已成为直流成分，因而只要用低通滤波器滤除交流成分，将直流成分逆变换后，就得到电网基波电流。这样，电网电流减去已检测出的基波电流，就得到电网的谐波电流。
基于ip-iq算法的谐波电流检测方法原理图如图1所示。
该方法中用一个锁相环和一个正弦、余弦发生电路得到与a相电网电压ea同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，它们由锁相环（PLL）和正余弦信号发生电路得到。利用这两个信号和ia、ib、ic一起计算出ip、iq，再经过LPF得出ip、iq的直流分量
、
，這里的
、
是由iaf、ibf、icf产生的，因此由、就可以计算出ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf，然后将ia、ib、ic与iaf、ibf、icf相减，计算出谐波分量iah、ibh、ich。
3补偿电流控制方式的确定
补偿电流控制电路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应实时跟随指令信号的变化。为了保证补偿电流具有良好的实时性，电流控制应采用跟踪型PWM控制方式。[3]目前被证实实际运行、且效果较好的PWM控制方法主要有以下三种：无差拍控制方式、三角波比较方式和滞环比较方式。由于本文为数字化方案目标，故在设计中采用滞环控制方法实现对谐波电流的跟踪。
如图2所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。
在该方式中，把补偿电流的指令信号ic*和实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。[4]
4 系统硬件设计
谐波检测电路由DSP外围电路、模拟信号调理电路A/D采样电路、过零检测电路及锁相倍频电路等5部分组成。
5 系统软件设计
控制系统的软件实现主要是采样与计算、PWM的发出。利用TMS320F2812 DSP来实现ip-iq算法。本模块的软件主要包括主程序、A/D采样子程序、谐波电流指令计算子程序、存储器数据读写子程序等三部分组成。
总程序流程图如图4所示。
6 谐波检测方法的仿真
有源电力滤波器的仿真模块主要分为两個部分即ip-iq算法检测模块与滞环控制方式的PWM脉冲生成模块。选取三相不可控整流桥为谐波源，对其发出的谐波电流进行检测。图5所示为谐波检测系统的仿真模型。滞环比较控制的模型建立如图6所示：低通滤波器选择二阶的Butterworth滤波器。
系统仿真算法：ode23t，相对误差：1e-3。分别对系统滞环电流跟踪效果、补偿后系统电流、补偿后系统电流与系统电压相位比较进行了仿真分析，结果如下图所示：
由图7可以看出，滞环跟踪控制方式电流响应很快，基本实现了实时控制方式，这与理论研究结果相符。
由图8～图10可以看出补偿前电源电流与电源电压之间存在相位差，而补偿后的电源电流虽然仍然存在毛刺，但与电源电压无相位差并且实现了正弦化，这说明系统功率因数很高。
研究结果表明，采用上述控制方法的数字低通滤波器对谐波电流具有较好的补偿效果。
7 结语
本文利用Matlab仿真软件对数字低通滤波器检测系统进行了仿真研究，针对仿真结果分析了数字低通滤波器对谐波检测效果的影响，证明了这种方法的优越性，为后续的研究工作提供了理论依据。
参考文献：
[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社.2005.
[2] 童立青.有源电力滤波器电路拓扑研究综述[J].电力电子技术，2009，43（10）：2-4.
[3] 李承，邹云屏.有源电力滤波器抑制谐波的机理分析[J].电力系统自动化，2003，27（20）：3l-34.
[4] 林海雪.公用电网谐波国标中的几个问题[J].电网技术，2003，27（1）：65-70.
作者简介：
冯晓艳（1975-）女，黑龙江省拜泉县人，硕士，研究方向：电力电子与电力传动
（作者单位：广东石油化工学院电信学院）
【关键词】低通滤波器;瞬时无功功率;谐波检测
中图分类号：TP1 文献标识码：A
Abstract：For the defects of harmonics detection of the active power filter，digital low pass filter is designed.The harmonic current detection method ip-i q is analyzed as well as the harmonics detection circuit is designed.Experimental results verify the speed and accuracy of the harmonic detection method.This system is steady and easy to run，showing a great prospect.
Key words：Digital low pass filter;Instantaneous reactive power;Harmonics detection
1 引言
在数字低通滤波器设计中，高精度及实时性的谐波检测是高性能补偿的关键，采用数字低通滤波器的谐波检测电路与高通滤波器相比较无论从设计制造上还是从动态响应过程和检测精度方面都有优势。本文基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法，对数字低通滤波器谐波检测方法进行了仿真研究，针对仿真结果分析了数字低通滤波器对谐波检测效果的影响，证明了这种方法的优越性。
2 基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法
针对数字低通滤波器谐波电流检测法实时性好，延时小，既能检测谐波又能补偿无功的特点，[1-2]本文采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法。瞬时无功功率理论是将三相电流变换到
、坐标，大大地简化了负载有功功率和无功功率的计算，在检测三相
电路谐波及无功电流中得到了广泛的应用。经坐标变换后，电网基波电流的瞬时无功功率和有功功率在
、坐标系中已成为直流成分，因而只要用低通滤波器滤除交流成分，将直流成分逆变换后，就得到电网基波电流。这样，电网电流减去已检测出的基波电流，就得到电网的谐波电流。
基于ip-iq算法的谐波电流检测方法原理图如图1所示。
该方法中用一个锁相环和一个正弦、余弦发生电路得到与a相电网电压ea同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，它们由锁相环（PLL）和正余弦信号发生电路得到。利用这两个信号和ia、ib、ic一起计算出ip、iq，再经过LPF得出ip、iq的直流分量
、，這里的、是由iaf、ibf、icf产生的，因此由、就可以计算出ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf，然后将ia、ib、ic与iaf、ibf、icf相减，计算出谐波分量iah、ibh、ich。
3补偿电流控制方式的确定
补偿电流控制电路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应实时跟随指令信号的变化。为了保证补偿电流具有良好的实时性，电流控制应采用跟踪型PWM控制方式。[3]目前被证实实际运行、且效果较好的PWM控制方法主要有以下三种：无差拍控制方式、三角波比较方式和滞环比较方式。由于本文为数字化方案目标，故在设计中采用滞环控制方法实现对谐波电流的跟踪。
如图2所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。
在该方式中，把补偿电流的指令信号ic*和实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。[4]
4 系统硬件设计
谐波检测电路由DSP外围电路、模拟信号调理电路A/D采样电路、过零检测电路及锁相倍频电路等5部分组成。
5 系统软件设计
控制系统的软件实现主要是采样与计算、PWM的发出。利用TMS320F2812 DSP来实现ip-iq算法。本模块的软件主要包括主程序、A/D采样子程序、谐波电流指令计算子程序、存储器数据读写子程序等三部分组成。
总程序流程图如图4所示。
6 谐波检测方法的仿真
有源电力滤波器的仿真模块主要分为两個部分即ip-iq算法检测模块与滞环控制方式的PWM脉冲生成模块。选取三相不可控整流桥为谐波源，对其发出的谐波电流进行检测。图5所示为谐波检测系统的仿真模型。滞环比较控制的模型建立如图6所示：低通滤波器选择二阶的Butterworth滤波器。
系统仿真算法：ode23t，相对误差：1e-3。分别对系统滞环电流跟踪效果、补偿后系统电流、补偿后系统电流与系统电压相位比较进行了仿真分析，结果如下图所示：
由图7可以看出，滞环跟踪控制方式电流响应很快，基本实现了实时控制方式，这与理论研究结果相符。
由图8～图10可以看出补偿前电源电流与电源电压之间存在相位差，而补偿后的电源电流虽然仍然存在毛刺，但与电源电压无相位差并且实现了正弦化，这说明系统功率因数很高。
研究结果表明，采用上述控制方法的数字低通滤波器对谐波电流具有较好的补偿效果。
7 结语
本文利用Matlab仿真软件对数字低通滤波器检测系统进行了仿真研究，针对仿真结果分析了数字低通滤波器对谐波检测效果的影响，证明了这种方法的优越性，为后续的研究工作提供了理论依据。
参考文献：
[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社.2005.
[2] 童立青.有源电力滤波器电路拓扑研究综述[J].电力电子技术，2009，43（10）：2-4.
[3] 李承，邹云屏.有源电力滤波器抑制谐波的机理分析[J].电力系统自动化，2003，27（20）：3l-34.
[4] 林海雪.公用电网谐波国标中的几个问题[J].电网技术，2003，27（1）：65-70.
作者简介：
冯晓艳（1975-）女，黑龙江省拜泉县人，硕士，研究方向：电力电子与电力传动
（作者单位：广东石油化工学院电信学院）