有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现

第29卷第2期 佳木斯大学学报(自然科学版) Vo.l 29N o .2
2011 年03月 Journa l of Jia m usiUn i v ersity (N atural Sc i e nce Ed ition)
M ar . 2011
文章编号:1008-1402(2011)02-0206-04
有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现
梁秋艳, 陈思羽, 周海波
(佳木斯大学机械工程学院,黑龙江佳木斯154007)
摘 要: 谐波电流检测的准确性是有源滤波器可靠运行的首要环节.在传统谐波检测算法的基础上采用一种基于三相瞬时无功功率理论的改进的i p -i q 算法,并在MATLAB /Si m u li n k 下进行建模仿真.结果表明,该谐波电流检测算法能够及时、精确的检测到负载产生的谐波电流,从而使
控制装置产生的补偿电流能够精确得跟踪指令电流,最终达到精确补偿负载谐波的目的.关键词: 有源滤波器;谐波电流检测;仿真中图分类号: T M 712 文献标识码: A
0 引 言
有源滤波器能够对谐波电流进行高精度、准确、实时的检测是对电力系统谐波进行补偿的首要前提,因此,谐波电流检测是电力系统中谐波治理技术的关键环节
[1]
.谐波电流检测的原理就是由
补偿对象的电流中提取出所需要补偿的谐波电流参考值,控制系统根据此种参考值产生相应的脉冲,控制有源电力滤波器逆变器主电路产生补偿电流跟踪参考值,起到补偿的效果.
1 传统的谐波电流检测方法
基于瞬时无功功率理论的谐波检测法是目前
有源滤波器中应用最广泛的一种检测方法.用这种方法检测谐波,除了通过低通滤波器的直流分量外,其它都是瞬时值运算,所以响应速度很快,具有良好的实时性[2]
.以三相电路瞬时无功功率理论为基础,计算p,q 或i p ,i q 为出发点即可得出三相电路谐波检测的两种方法,分别称之为p -q 运算方法和i p -i q 运算方法.
1.1 基于p -q 运算方式的谐波电流检测
如图1所示为p -q 运算原理图,p -q 是基于三相电路瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法,此种方法适用于系统的三相电压不含谐波的情况
[3]
.
图1 基于p -q 运算方框图
根据图1计算p 和q 可得:
p q C pq i i
=C p q C 32i a
i b i c
(1)
式中
C pq =
e e e
-e
(2)
C 32=
23
1-12-120
32
-
32
(3)
收稿日期:2011-03-14
作者简介:梁秋艳(1981-),女,黑龙江佳木斯人,助教,主要研究方向为电力系统自动化.
第2期梁秋艳,等:有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现
通过低通滤波器(LPF)滤掉谐波分量后得到
有功和无功的直流分量.再通过逆变换计算出负载
电流的基波分量i a,i bf,i c f.最后通过叠加原理,得到
负载的三相谐波电流.
i
a f
i bf
i cf
=C T32C-1pq
p
q
=1
e2 +e2
C T32C pq
p
q
(4)
1.
2 基于i p-i q运算方式的谐波电流检测
图2 基于i
p
-i q运算原理图
i p-i q谐波检测法是p-q在谐波检测法的基
础上改进而来的,原理如图2所示.锁相环电路
PLL锁住了a相电压的相位和频率,因此可以构造
出不受电网电压畸变影响的s i n t和-cos t算子
参与算法运算[4].瞬时有功电流i p
和瞬时无功电流
i q的表达式为:
i p
i q
=
si n t-cos
t
-cos
t-si n t
2
3
1-
1
2
-
1
2
03
2
-3
2
i a
i b
i c
=CC32
i a
i b
i c
=
2
3
sin t sin( t-
2
3
)si n( t+2
3
)
-cos t-cos( t-
2
3
)-cos( t+2
3
)
i a
i b
i c
(5)
设i af,i bf,i c f
分别为各自的基波电流, i p, i q为变
换后的基波分量,则经反变换后,可得到计算基波
分量的公式为:
i
a f
i bf
i cf
sin t-co s t
-cos t-s i n t
i p
i q
=C23C-1
i p
i q
=
2
3
sin t-co s t
si n( t-
2
3
)-cos( t-2
3
)
si n( t+
2
3
)-cos( t+2
3
)
i p
i q
(6)
设i ah,i bh,i ch为各相总的谐波电流,则有:
i ah=i a-i af,i bh=i b-i bf,i ch-i c-i cf(7)
这即是补偿装置需要产生的补偿电流.当电网
电压对称且无畸变时,i p-i q算法可以迅速准确的
检测出电网中的谐波分量;当电网电压不对称或发
生畸变时,因为该算法没有直接使用系统的电压信
息,只借助于构想的正余弦函数来实现三相基波坐
标变换,因此可以得到补偿分量.
2 改进的谐波电流检测方法
由上面对两种谐波检测法的分析可知,p-q
法仅适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电
流的检测,当电网电压发生失真时,根据公式计算
出的基波正序电流分量也将含有谐波,从而增大了
谐波检测的误差,检测结果的精度就会越差[5].i p
-i q法不仅在电网电压畸变时适用,在电网电压不
对称时也同样有效,但在检测谐波电流时,因被检
测对象中谐波的构成和采用滤波器的不同,使其在
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采样保持和信号处理等过程会产生不同的时间延
迟,这将使跟踪补偿电流的相位发生偏移[6]
.如果不采取措施,有源电力滤波器的补偿效果会变差.
本文采用一种基于三相瞬时无功功率理论的改进i p -i q 算法,针对i p -i q 谐波检测方法的不足进行了补偿,原理图如下图3所示
.
图3
改进的检测算法原理图
图4 谐波检测算法电路模型
改进的i p -i q 谐波检测算法是在传统谐波检测算法基础上,对检测电网中的某次谐波外加一个补偿角,以减少因控制算法、数模转换等原因所产生的延迟.检测的谐波次数主要包括5次、7次和11次.这几次谐波检测出来后,利用叠加原理,得到负载的谐波电流,从而使检测的谐波电流被控制装置产生的补偿电流很好的跟踪.
在原理图3中,e a 代表a 相电压信号,以5次谐波检测为例,锁相环PLL 作用是产生与a 相电压同
相位的五倍基波频率的正弦信号sin5 t 和余弦信号cos5 t ,可得变换矩阵:
C 5 t =si n 5 t -cos5
t
-cos5 t -si n 5 t
(8)
首先将a,b ,c 三相电流转换成 , 两坐标系下的电流,则三相电流可以变换成 - 坐标系中的向量,即:
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梁秋艳,等:有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现
i i
=C i a
i b
i c
(9)
其中C 为Park 变换矩阵
C =
23
1-12
-12
32-3
2
(10)
两相瞬时电流i ,i 与变换矩阵C 5 t 相乘得到两相坐标下的瞬时5次谐波的有功电流i p 5和无功电流i q 5,然后i p 5和i q 5经过低通滤波器LPF 滤波得到5次谐波的有功电流直流分量 i p 5和无功电流直流分量 i q 5,将有功电流直流分量 i p 5和无功电流直流分量 i q 5经过变换矩阵C 的反变换可得到两相坐标下的i 5,i 5;
C =
sin (5 t+ )-cos (
5 t + )
-cos (5 t + )-sin (5 t+ )
(11)
式中, =5 t T, T 为采样周期.
将两相坐标下的电流转换成a,b ,c 三相电流,
得到的即是5次谐波电流i 5ah ,i 5bh ,i 5ch ,然后再将频率分别换成7次、11次谐波电流,将所得各次谐波电流相加,最后得到期望的谐波电流i ah ,i bh ,i ch .
3 改进的检测算法的仿真实现
为了验证该检测算法的正确性,用MATL AB
软件进行建模仿真[7]
.图4所示为MATLAB /Si m u li n k 下谐波电流检测部分电路仿真模型图.谐波电流检测的实质是将三相包含谐波的负载电流经过三相/两相变换成有功和无功电流,有功电流包括基波有功和谐波有功分量,无功电流包括基波无功和谐波无功分量,然后将有功电流、无功电流进行低通滤波,得到基波电流的有功分量、无功分量,最后进行两相/三相变换,得到三相电流基波分量,实
现了负载电流中谐波电流与基波电流的分离.
图5所示为检测出的5次、7次、11次谐波电流波形图,这些谐波电流将作为参考值,控制系统根据此参考值产生相应的脉冲,控制主电路产生补偿电流,起到补偿的效果.
图5 检测出的谐波电流(5次、7次、11次)
4 结 论
理论分析与仿真结果表明,改进的谐波电流检
测算法能够及时、精确的检测到负载产生的谐波电流,从而使控制装置产生的补偿电流能够精确得跟踪指令电流,最终达到精确补偿负载谐波的目的.参考文献:
[1] 顾建军,徐殿国,刘汉奎,等.有源滤波技术现状及其发展
[J ].电机与控制学报,2003,7(2):127-129.
[2] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿(第2
版)[M ].北京:机械工业出版社,2005.
[3] 周雒维,李自成,吴宁.有源电力滤波器谐波及无功电流的一
种检测方法[J ].重庆大学学报,2000,23(1):53-55.[4] Ch ang G W.A Ne w M et hod for Deter m i n i ng R eference C o mp en
sati ng Curren ts of the Three-phas e Shunt Acti ve Pow er F ilter [J].IEEE Po w er Eng i neeri ng R evie w,2001,21(3):63-65.[5] 杨君,王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究
[J].电工技术学报,1995,5(2):43-48.
[6] Fu Zhongw en ,LiH a i shan ,H uang W enli ng .A N e w Cu rrent D e
tecti ng M et hod B ased on d -q Ransfor m ati on for Aeti ve Pow er F ilter[J].Pow er Syste m T echnology ,Internati on alC on f eren ce on 2002,4:2265-2268.
[7] 王正林,王胜开,陈国顺.M ATLAB /S i m u li nk 与控制系统仿
真[M ].北京:电子工业出版社,2005.
(下转212页)
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佳木斯大学学报(自然科学版)2011年
分割方法中不断追求的目标.
OTSU算法就是根据OTSU算法的原理以及图像的灰度直方图类间方差的不同,通过计算最大类间方差,而最终确定大米图像的分割阈值,其分割结果如图2所示.
由分割结果我们知道,OTSU自动阈值分割算法效果十分理想.它不但解决垩白米和正常米的灰度区域分割阈值最佳问题,而且还具有自适应性分割优点.
3 垩白米分割检测结果与分析
为了验证此文垩白米检测方法的有效性,对东北的粳米进行了垩白米检测实验,并与基于分形维数检测结果进行比较.准备垩白米100粒(通过人工目测的方法确定),将单个米粒放置于背景为黑色的光源箱中,由CCD摄像机摄取原始图像,分辨率为128 128.每个米粒均采集8个不同方向的图像,800幅垩白米图像.检测精度为97%,高于固定阈值检测方法,OTSU垩白米检测方法有效地检测大米中的垩白区域,且方法简单、检测精度高.
4 结 论
本文针对垩白米识别工作在食品加工、等级划分和粮食进出口等领域具有重要意义的基础上,对垩白米等级划分依据进行了研究.根据垩白米中垩白部分具有垩白不透明这一物理特征,提出最大类间方差(OTSU)算法在垩白米识别中的应用,该算法可靠性好,具有自动选取最佳分割阈值的特点,检测率高,分割效果受灰度重叠的影响小,并有较好的可移植性.在垩白米等农产品识别中具有重要的推广意义.
参考文献:
[1] 国家质量技术监督局.GB/T.17891-1999.优质稻谷国家标
准[S].北京:中国标准出版社,1999.
[2] 侯彩云,王一鸣,凌云,等.垩白米粒的计算机图像识别[J].
农业工程学报,2002,18(3):165-168.
[3] 孙明,凌云,王一鸣.在M ATLAB环境中基于计算机视觉技
术的大米垩白检测[J].农业工程学报,2002,18(4):146-
149.
[4] 张济忠.分形[M].北京:清华大学出版社,1995.111-141.
[5] 冯斌.计算机视觉信息处理方法与水果分级检测技术研究
[D].北京:中国农业大学,2002.
[6] OTS U N.A Thres ho l d S electi on M et hod fro m G ray-LevelH i s
t ogra m[J].I EEE Trans,1979,9(1):62-69.
[7] Chen W T,W en CH,Yang CW.A Fast Tw o-di m en sion E n
trop ic Thres ho l d i ng A lgorit hm[J].Pattern Recogniti on.1994.
27(9):885-89.
Study on Chalky R ice D etection Based on OTS U A lgorith m
X U J ian-dong, SU N Ying-chun, JI ANG Ye
(Jia m usiU ni versity,J i amusi154007,Chi na)
Abst ract: A cha l k y rice detection approach based on OTSU a l g orit h m w as pr oposed.OTSU a l g orithm has t h e capability o f auto m atica ll y se l e cting t h e opti m um seg m enting threshold,as w ell asm ulti-thresho l d seg m enta ti o n,w hich cou l d obtain an i d ea l seg m enti n g resul.t As the experi m ent i n dicated,it has a h i g h i d entificati o n ra ti o,wh ich cou l d detect cha l k y r ice effic iently in contrast to the a l g orithm based on fixed t h resho l d.
K ey w ords: chalky rice detection;OTS U;i m age seg m entation
(上接209页)
The H armonic D etection A lgorith m of A cti ve Power
F ilter and Simul ation R eali zati on
LI ANG Q i u-yan, C HE N S i-yu, Z HOU H ai-bo
(C ollege of M echan i ca l Engi neeri ng,J i amusi University,J i am us i154007,China)
Abst ract: The accuracy o f har m on ic current detection is the m ost i m portant part of an active po w er filter to work re li a bly.On t h e trad itional har m on ic detecti o n a l g orit h m,a i m proved i p-i q a l g orithm w as i m proved based on three-phase i n stantaneous reactive po w er theory and conduct si m ulati o n underMATLAB/S i m u li n k.S i m ula ti o n resu lts sho w that t h e a l g orit h m can detect the har m on ic currents ti m e l y and accurately,so the co m pensati o n current generated by the con tro l unit can track the co mm and curren t accurately.Fina ll y,l o ad har m on ics w as co m pensated accurately.
K ey w ords: acti v e po w er filter;har m on ic detection;si m ulation
212。