電能質(zhì)量控制裝置的指令信號檢測方法*
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摘要： 影響電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的主要成分是無功功率和諧波電流，為了對其進行補償，本文給出了基于瞬時功率理論的ip-iq法檢測無功功率；對諧波的檢測方法不僅可以檢測總諧波電流，還能夠檢測特定次數(shù)的諧波電流。本文提出的檢測方法能夠?qū)崟r有效地檢測出電力系統(tǒng)中的無功功率和諧波。
關(guān)鍵詞： 無功功率補償；諧波檢測；動態(tài)補償裝置
*陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計劃項目(2006A12)；
2008年5月9日收到本文修改稿。張軍利：講師，研究方向為柔性交流輸配電。
前言
在正弦電路中，無功功率的概念清晰，容易理解；在非正弦電路中，有功功率、視在功率和功率因數(shù)的定義均和正弦電路相同。有功功率仍為瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值，而無功功率的情況比較復(fù)雜，至今沒有被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威性的定義。文獻[1]給出了非正弦電路中常見的三種無功功率的定義，各有其應(yīng)用場合，其中將電力系統(tǒng)中總功率分解成由基波有功電流產(chǎn)生的有功功率、由基波無功電流產(chǎn)生的無功功率以及由諧波電流產(chǎn)生的無功功率三部分的方法在工程上得到了廣泛的認(rèn)可，本文將對無功功率的檢測及補償方法進行深入研究。
諧波檢測方法較多：最早采用模擬濾波器法[2]，模擬濾波器雖然結(jié)果簡單，實時性好，但是檢測效果不理想，特別是當(dāng)電網(wǎng)頻率波動或電路元件參數(shù)變化時，檢測效果變得特別差；快速傅立葉變換法[3]，對電壓信號進行頻域分析，分離出諧波分量，該方法的缺點是需要采集一定時間的電流值，并且分析計算還要花費一定的時間，因此該方法有較長的時間延遲，檢測的結(jié)果實際上是較長時間前的諧波，因而實時性不好；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的自適應(yīng)方法[4]，需要軟件運算，難以提高在線檢測速度，目前還沒有實際應(yīng)用。
針對于此，本文將給出一種較為理想的基波無功功率和諧波的檢測方法，并分析對比各種無功功率和諧波補償裝置的特點。本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/85397.htm
電力系統(tǒng)中無功功率的檢測
電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓無畸變是相對的。當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變時，應(yīng)用瞬時功率理論的ip-iq檢測法即使在電網(wǎng)電壓畸變時也能準(zhǔn)確地檢測出無功電流和諧波電流，該方法是基于電網(wǎng)電壓基波頻率角提出來的，具體變換為：
設(shè)三相電路各相電流瞬時值為ia(t)，ib(t)，ic(t)，則，
(1)
(2)
式中ip，iq分別為有功電流和無功電流；q=wt為某一時刻電網(wǎng)電壓基波分量的角度。
將ip，iq經(jīng)過低通濾波器后可得到其直流分量
，再由式(3)可得到三相基波電流，
(3)
當(dāng)使式(3)中直流分量
時，由此式得到的三相電流為無功補償裝置所需的指令電流。
電力系統(tǒng)中諧波的檢測
由式(3)可得到三相基波電流，如果從三相電流中減去三相基波電流，則可得到系統(tǒng)的諧波電流，但是上述方法只適用于三相三線制系統(tǒng)。下面介紹另一種基于單相電路檢測諧波的方法，設(shè)單相電路的電源電壓和負(fù)載電流分別為：
其中：e1(t)，i1(t)分別為瞬時基波電壓、電流分量；eh(t)，ih(t)分別為所有瞬時高次諧波電壓、電流分量之和；j1是e1(t)，i1(t)之間的相位差；jk是ek(t)，ik(t)之間的相位差。
經(jīng)過下式變換可得到有功電流ip和無功電流iq：
(4)
經(jīng)過低通濾波器后，得到單相有功電流ip和無功電流iq的直流分量分別為：
(5)
則基波電流為：
(6)
總諧波電流為：
(7)
此方法不僅適用于單相電路諧波電流和無功電流的檢測，同樣也適用于三相四線制電路諧波和無功電流的檢測。
當(dāng)需要檢測第k次諧波電流時，可應(yīng)用下面公式得到：
(8)
則有：
(9)
(10)
上述方法在實際應(yīng)用中可用模擬電路實現(xiàn)，也可用數(shù)字電路實現(xiàn)。
檢測方法的仿真分析
本文仿真是在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓、電流都有畸變的情況下進行的。其中圖1是采用瞬時功率理論的ip-iq檢測法得到的a相基波無功電流和諧波電流；圖2是單相電路基波無功電流和諧波電流的檢測結(jié)果。
圖1 a相基波無功電流和諧波電流
圖2 單相電路無功電流和諧波電流
由仿真結(jié)果可見，采用瞬時功率理論的ip-iq檢測法可以實時準(zhǔn)確地檢測三相三線電力系統(tǒng)中的基波無功電流，從而得到系統(tǒng)的無功功率；采用本文提出的單相電路無功電流和諧波電流的檢測方法，能夠得到三相四線制電力系統(tǒng)中無功功率和諧波電流，而且還可以得到特定次數(shù)的諧波電流。本文提出的無功功率和諧波的檢測方法為補償裝置指令信號的獲得提供了重要的理論基礎(chǔ)。
結(jié)語
無功功率和諧波的存在對電力系統(tǒng)是非常大的污染，為了提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，必須對無功功率和諧波進行補償。文中重點提出了無功功率和諧波電流的常用檢測方法，并對其進行理論分析、仿真驗證。由仿真結(jié)果可見，本文提出的檢測方法能夠?qū)崟r有效地檢測出系統(tǒng)的無功功率和諧波，為補償裝置的設(shè)計做了必要的準(zhǔn)備工作,本文所提出的檢測方法已經(jīng)在實驗室有了一定應(yīng)用。
參考文獻：
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2. 鄧禮寬、姜新建、朱東起等，APF和SVC聯(lián)合運行的穩(wěn)定控制，電力系統(tǒng)自動化，2005(18)：29-32
3. 錢昊、趙榮祥，基于插值FFT算法的間諧波分析，中國電機工程學(xué)報，2005(21)：87-91.
4. 張林利，王廣柱. 一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測量新方法，電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2004(2): 40-43
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7. Fang Zheng Peng, Jih-Sheng Lai. Generalized Instantaneous Reactive Power Theory for Three-phase Power Systems [J] IEEE Trans on Industry and Measurement,1996;45(1):293-297
8.楊萬開、肖湘寧、楊以涵等，基于瞬時無功功率理論高次諧波及基波無功電流的精確檢測，電工電能新技術(shù)1998，(2)：61-64
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