無功電流檢測方法對比分析

無功電流檢測方法對比分析

摘要：基于瞬時無功功率理論，建立了諧波及無功電流檢測系統閉環、開環的統一模型，揭示了檢測系統的本質。諧波及無功電流的檢測是通過抽取基波有功電流，從負載電流中減掉基波有功電流獲得。將負載電流進行坐標變換，在旋轉坐標系下經低通濾波后即可得到基波有功電流。基于上述結論，完成了一個應用于電力有源濾波器的諧波及無功電流實時檢測系統。實驗結果表明，該檢測系統具有良好的動、靜態響應。

關鍵詞：瞬時無功功率理論；諧波及無功電流檢測；統一模型；等效低通濾波器

引言

APF補償電流的檢測不同于電力系統中的諧波測量。它不須分解出各次諧波分量，而只須檢測出除基波和有功電流之外的總的高次諧波和無功畸變電流。難點在于準確、實時地檢測出電網中瞬態變化的畸變電流，為有源電力濾波器控制系統進行精確補償提供電流參考，這是決定APF性能的關鍵。目前文獻已報道運行的三相APF中所使用的幾種諧波電流檢測方法，除了各自存在的難以克服的缺陷外，共同存在的問題是，由于是開環檢測系統，故對元件參數和系統的工作狀況變化依賴性都比較大，且都易受電網電壓畸變的影響。對單相電路的諧波和無功電流的檢測還存在實時性較差的缺點。

本文對目前有源電力濾波器中應用的畸變電流檢測與控制方法進行了分析比較，在此基礎上，針對APF中只須檢測總的畸變電流，反向后注入系統，以抵消或補償系統中畸變電流，使電網僅提供基波有功電流這一工作特點，從保證APF能最有效地工作出發，綜合瞬時無功功率理論檢測法的快速性和閉環電路的魯棒性，提出了基于瞬時無功功率理論的閉環檢測方案。從諧波及無功電流開環、閉環檢測電路抽象出檢測電路的本質（本文稱為統一模型），在此基礎上，給出了檢測電路的優化設計方案，研究了檢測系統中等效低通濾波器的階數與截止頻率對檢測精度與快速性的影響，推導了統一模型下閉環檢測電路的實現。最后，通過實驗加以驗證。

1 基波幅值檢測原理

設單相電路中的電源電壓為

非線性負荷電流為

iL(t)=if(t)＋ih(t)=ifp(t)＋ifq(t)＋ih(t)

=ifp(t)＋ic(t) （2）

式中：if(t)為iL(t)的基波電流；

ih(t)為iL(t)中高次諧波電流；

ifp(t)，ifq(t)分別為基波電流的有功分量和無功分量；

ic(t)為要補償的諧波和無功電流之和，稱為畸變電流。

因為，負荷電流中的基波有功分量必定是一個初相角與電網電壓相同，角頻率為基波角頻率ω的正弦波，所以，我們可以設負荷電流的基波有功分量為

ifp(t)=Asint （3）

若能求出A的大小，則可由式（3）得出基波有功電流的表達式。為求出A的大小，先對非線性負荷電流進行傅立葉分解，有

式中：m，n均為整數；

Am，φm，An，φn為各次電流的幅值和初相角。

從式（4）可以看出負荷電流的基波有功分量幅值為A1cosφ1，為分離此值對式(4)左右兩邊同乘以sinωt，得到Amsin(mωt＋φm)sinωt=A1cosφ1＋A1cosφ1sin＋A1sinφ1cos2ωt＋Am{cos〔(m－1)ωt＋φm〕－cos〔(m＋1)ωt＋φm〕}（5）從式(5)可以看出，我們已得出了負荷電流中基波有功分量幅值的一半值，也就是式中的A1cosφ1，我們再把此值擴大2倍，即得出電流基波有功分量幅值，也就得出了基波有功電流ifp(t)=A1cosφ1sinωt。因此，畸變電流為

ic(t)=iL(t)－ifp(t)=iL(t)－A1cosφ1sinωt （6）

這樣，即可實時檢測出畸變電流的大小。

圖1為根據以上分析所得出的電路設計的原理圖。該圖中ea為電源相電