電能質(zhì)量控制裝置的指令信號(hào)檢測(cè)方法*
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，本文給出了基于瞬時(shí)功率理論的ip-iq法檢測(cè)無功功率；對(duì)諧波的檢測(cè)方法不僅可以檢測(cè)總諧波電流，還能夠檢測(cè)特定次數(shù)的諧波電流。本文提出的檢測(cè)方法能夠?qū)崟r(shí)有效地檢測(cè)出電力系統(tǒng)中的無功功率和諧波。
關(guān)鍵詞： 無功功率補(bǔ)償；諧波檢測(cè)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置
*陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)劃項(xiàng)目(2006A12)；
2008年5月9日收到本文修改稿。張軍利：講師，研究方向?yàn)槿嵝越涣鬏斉潆姟?br />
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(shí)功率在一個(gè)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(xiàn)[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(chǎng)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(duì)無功功率的檢測(cè)及補(bǔ)償方法進(jìn)行深入研究。
諧波檢測(cè)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(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，但是檢測(cè)效果不理想，特別是當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)或電路元件參數(shù)變化時(shí)，檢測(cè)效果變得特別差；快速傅立葉變換法[3]，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行頻域分析，分離出諧波分量，該方法的缺點(diǎn)是需要采集一定時(shí)間的電流值，并且分析計(jì)算還要花費(fèi)一定的時(shí)間，因此該方法有較長的時(shí)間延遲，檢測(cè)的結(jié)果實(shí)際上是較長時(shí)間前的諧波，因而實(shí)時(shí)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(yùn)算，難以提高在線檢測(cè)速度，目前還沒有實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)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(cè)方法，并分析對(duì)比各種無功功率和諧波補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/85397.htm
電力系統(tǒng)中無功功率的檢測(cè)
電力系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓無畸變是相對(duì)的。當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變時(shí)，應(yīng)用瞬時(shí)功率理論的ip-iq檢測(cè)法即使在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)也能準(zhǔn)確地檢測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)，由此式得到的三相電流為無功補(bǔ)償裝置所需的指令電流。
電力系統(tǒng)中諧波的檢測(cè)
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(cè)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(shí)基波電壓、電流分量；eh(t)，ih(t)分別為所有瞬時(shí)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(cè)，同樣也適用于三相四線制電路諧波和無功電流的檢測(cè)。
當(dāng)需要檢測(cè)第k次諧波電流時(shí)，可應(yīng)用下面公式得到：
(8)
則有：
(9)
(10)
上述方法在實(shí)際應(yīng)用中可用模擬電路實(shí)現(xiàn)，也可用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。
檢測(cè)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(jìn)行的。其中圖1是采用瞬時(shí)功率理論的ip-iq檢測(cè)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(cè)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(shí)功率理論的ip-iq檢測(cè)法可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)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(cè)方法為補(bǔ)償裝置指令信號(hào)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(duì)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(duì)無功功率和諧波進(jìn)行補(bǔ)償。文中重點(diǎn)提出了無功功率和諧波電流的常用檢測(cè)方法，并對(duì)其進(jìn)行理論分析、仿真驗(yàn)證。由仿真結(jié)果可見，本文提出的檢測(cè)方法能夠?qū)崟r(shí)有效地檢測(cè)出系統(tǒng)的無功功率和諧波，為補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)做了必要的準(zhǔn)備工作,本文所提出的檢測(cè)方法已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室有了一定應(yīng)用。
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