谐波及无功电流检测方法对比分析

　　用自适应噪声抵消法进行谐波检测，取iL作为原始输入，若将i=i1+i2+……in看作“噪声干扰电流”，则其他更高次谐波的总电流ih就是需要检测的“信号”，i和ih不相关;取sinωt,cosωt以及它们的2、3、……、n次等倍频谐波作为参考输入，它们和i对应的各次正弦和余弦分量分别相关，而和ih不相关。可以看出，上述条件满足自适应噪声抵消法的要求，当选用适当的多路自适应滤波器并采用最小均方算法后，可以通过多路自适应滤波器得到“噪声干扰电流”i的各分量以及“信号”ih的最小均方误差意义下的最佳逼近值。从上述分析可以看出：

　　1)检测总谐波电流只取sinωt，cosωt作为参考输入，ANN学习完成之后，系统的输出z(t)即为总谐波电流。

　　2)检测奇次谐波电流取sinωt，cosωt以及sin(2k+1)ωt，cos(2k+1)ωt(3<=2k+1<=n，k为正整数)等作为参考输入，ANN学习完成之后i2k+1=w(2k+1)s×sin(2k+1)ωt+w(2k+1)c×cos(2k+1)ωt，就是对应的奇次谐波电流的值。

　　3)检测偶次谐波电流取sinωt，cosωt以及sin2kωt，cos2kωt(2≤2k≤n,k为正整数)等作为参考输入，ANN学习完成之后i2k(t)=w2ks×sin2kωt+w2kc×cos2kωt，就是对应的偶次谐波电流的值。

　　3 基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法

　　瞬时无功功率理论[1]的基本思路是将abc三相系统电压、电流转换成αβο坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率;将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果。但该方法对于三相不平衡负荷所产生的无功和谐波电流，补偿效果则不理想，且只适用于三相系统，不能用于单相系统。

　　3.1 开环检测方案

　　基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流开环检测方案[2]如图4所示。

　　图4 基于瞬时无功理论的电流检测

　　图4中，LPF为低通滤波器，变换矩阵C3s/2r为三相静止坐标系到两相旋转坐标系(dq坐标系)的变换阵。在谐波及无功电流的检测系统中，首先检测基波有功电流，然后从三相负载电流中减去基波有功电流，从而获得谐波及无功电流。根据瞬时无功功率理论，可以推导如下结论[3][4]：三相负载电流经过dq变换，得到有功电流ip和无功电流iq(图4中未画出)。基波有功电流在dq坐标系下表现为电流ip中的直流分量。在dq坐标系下，将有功电流ip进行低通滤波得到直流分量，经过dq反变换可以得到基波有功电流。上述检测方案具有动态响应快、实时性好的优点。但是，由于电路采用开环结构，检测系统鲁棒性较差，需要采用高精度模拟乘法器[5]。

　　3.2 闭环检测方案

　　为了增强检测系统的鲁棒性，将闭环拓扑结构与瞬时无功功率理论的原理结合起来，可以构造出如图5所示的闭环检测电路[6]。

　　图5 基于瞬时无功功率理论的谐波电流闭环检测

　　图5中，G(s)与图4中的LPF不同，指一般的传递函数。谐波及无功电流检测的基本原理与图4相同，也是先获得基波有功电流，然后从负载电流中减去基波有功电流，从而得到谐波及无功电流。

　　4 仿真和实验验证

　　为验证所提出的谐波电流检测方法，进行了仿真和实验验证，结果如图6所示。

　　(a) 负载电流(iL)

　　(b)APF补偿电流(ic)

　　(c) 检测出的基波电流(ip)

　　(d) 实验波形(从上到下依次为：iL，ic，ip)

　　图6 谐波检测电路验证

　　实验结果表明该方法具有下述优点：

　　1)基于统一模型的闭环检测法以瞬时无功功率理论为基础，因而能清晰地解析出各次谐波、无功及基波有功电流;

　　2)由于采用闭环系统，检测电路的运行特性几乎不受参数变化的影响;

　　3)优异的性能并没有增加系统的复杂性和制造成本。

　　5 结语

　　本文提出了一种简便的基于瞬时无功功率理论的自适应闭环系统，以检测谐波及无功电流，通过实验验证了理论分析：

　　1)基于瞬时无功功率理论的谐波及电流检测方法能准确、快速地解析出各次谐波、无功及基波有功电流;

　　2)由于采用自适应闭环系统，检测电路特性对参数变化不敏感，鲁棒性好;

　　3)该方案性能优异而且结构简单，在有源电力滤波器系统中有相当好的应用前景。