一種諧波與無功電流檢測方法的探討

摘要：隨著電力系統中非線性負載的增加，諧波汙染及無功功率的不足成為影響系統電能質量的嚴重問題。有源電力濾波器(APF)作為一種有效的諧波治理裝置，同時能補償無功功率。能否準確快速獲得諧波及無功電流指令信號對於APF的治理效果具有直接的影響。研究了一種諧波和無功電流檢測方法，分析並設計了其中起關鍵作用的低通濾波器和三相鎖相環。對該方法進行了理論及仿真分析，同時介紹了其數字實現，說明了該檢測方法的準確性和易實現性。最後通過實驗驗證了該方法的有效性，為其工程應用奠定了基礎。
關鍵詞：有源電力濾波器；無功電流檢測；鎖相環；低通濾波

1 引言
隨著電力系統非線性負荷的增加，諧波汙染變得越來越嚴重，APF是一種可有效治理諧波汙染的裝置，同時能補償無功電流。作為APF治理諧波及補償無功的前提條件，諧波及無功電流檢測方法的快速性和準確性影響著諧波治理和無功補償的效果。諧波及無功電流檢測方法有：基於瞬時無功功率理論的諧波及無功電流檢測方法、基於傅立葉分析的檢測方法、基於神經網絡的檢測方法和基於小波分析的檢測方法。

2 諧波及無功電流檢測方法的提出
電力系統中，理想狀態下線路上均為有功電流。但系統中的儲能元件和非線性負載會使線路中存在無功和諧波電流。假設電網電壓和負載電流三相平衡，設三相電網相電壓為：

其餘分量為交流分量，包括無功和諧波分量。
理想治理情況下，電網為負載提供有功電流，諧波治理及無功補償裝置為負載提供諧波和無功電流。若諧波及無功電流得到完全補償，則補償點或治理點之前的電網中全是有功電流，該有功電流即為負載消耗的有功電流。因此，要得到負載中的諧波及無功電流指令，只需通過式(3)算出非線性負載的有功電流瞬時值，然後與其實際電流作差可得APF所需的諧波與無功電流指令。從另一角度考察，有功電流與電網電壓同相位，求出有功電流有效值後，同步電網電壓信號，即可得有功電流的瞬時值，通過式(4)可得有功電流有效值。
此方法假設電網電壓完全無畸變、三相電流平衡，但在實際應用中，電網電壓存在一定畸變，則上述所得的P也包含了諧波有功功率。由此而得的負載無功和諧波電流(iq+ib)不準確。基於此，這裡對上述方法進行改進，改進框圖如圖1所示。

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三相鎖相環所得的是一個與電網電壓基波同頻同相的歸一化信號，即：(usabc_PLL為三相電網電壓鎖相環信號；usfabc為三相電網基波電壓瞬時值；Usf為電網基波相電壓有效值)，因此其與負載電流的乘積去除了諧波電壓的影響，同時簡化了計算，提高了算法的速度。