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解析電力逆變電源系統諧波檢測方法

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更新日期2019-11-29 15:27

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康明斯

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??100多年來,隨著電力逆變電源系統的不斷發展,以非化石能源為主的新一代電力逆變電源系統格局已經產生,將來清潔能源和可再生能源將占有很大的比重。在此背景下,電力電子元器件的大量使用導致電力逆變電源系統不可避免地受到諧波的污染。電力逆變電源系統中的諧波分量過大將造成諸多危害:①使電能利用率降低,電力逆變電源系統設備產生附加能耗,同時增加了電氣應力,影響設備安全穩定運行;②大量分布式電源在公共連接點(point of common coupling, PCC)集中被接入,可能放大電網的諧波振蕩;③在柔性直流輸電運行過程中,直流場持續的諧波擾動可能引發一系列不穩定現象,從而影響系統的安全穩定運行;④諧波還可能使得保護誤動作,測量裝置產生誤差,甚至可能會對通信線路產生干擾,影響通信效果。針對諧波產生的種種危害,我國在20世紀90年代就已經開展了諧波治理的相關研究,并制定了《電能質量:公用電網諧波》(GB/T 14549—93)國家標準對公共電網諧波允許值進行了限制。此后對電力逆變電源系統進行諧波治理,改善電能質量成為一項持續而長久的工作。有源電力濾波器(active power filter, APF)是一種能夠動態抑制諧波、全面改善電能質量的電力電子裝置,諧波電流的、實時檢測直接影響其動態抑制的效果。對諧波信號進行高精度、實時地檢測是諧波治理的前提,對電能質量要求的不斷提高又進一步推動諧波檢測性能指標的提高,這促使人們不斷去探尋更佳的新方法、新理論。本文對不同諧波檢測方法進行梳理、總結,希望從中獲得啟發,為后續相關研究提供幫助。1 諧波檢測方法諧波檢測方法按常規劃分,可以分為頻域檢測法、時域檢測法和其他檢測法;按是否具有選擇性劃分,又可以分為單獨檢測每個諧波幅度的選擇性檢測方法和將電流直接分成基波和諧波分量的非選擇性檢測方法。下面,本文將對基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法、基于傅里葉變換的諧波檢測法、基于小波變換的諧波檢測法、基于希爾伯特-黃變換的諧波檢測法、基于人工神經網絡的諧波檢測法、復合檢測法以及近期出現的一些新方法和新理論展開分析。1.1 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法20世紀80年代,日本學者赤木泰文首次提出了三相電路的瞬時無功功率理論,此后該理論經過不斷發展、完善,產生了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法。該方法的優點是,動態響應速度快,實時性好,檢測延時不到一個電源周期。三相電路有兩種檢測方法,即p-q法和ip-iq法。在三相三線制電路中,當電網電壓存在畸變時,因為p-q法無法準確地檢測諧波,而ip-iq法采用鎖相環技術隔離了畸變量對檢測的影響,所以檢測結果是準確的。通過模擬電路構造一個三相系統來實現單相電路檢測的難度很大,有學者通過低通濾波器擴大增益獲得瞬時有功電流和瞬時無功電流的幅值Ip、Iq,進而可獲得瞬時值ip(t)、iq(t),即 (1)由式(1)即可求得瞬時諧波電流ih(t),避免構造三相電路,且算法復雜度也大大降低。1.2 基于傅里葉變換的諧波檢測法快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)法精度較高且容易實現,是目前諧波檢測領域廣泛使用的方法,但計算量大,檢測耗時長,實時性較差,當采樣周期和信號周期不同步時,會產生頻譜泄漏和柵欄效應;當采樣頻率不滿足采樣定理時,還會產生頻率混疊現象。發生頻譜泄漏的主要原因是由于FFT將無限長序列作截斷化處理后、使原來的頻譜向邊緣擴散造成的。通過加窗函數和譜線校正消除頻譜泄漏是目前主要采用的方法。窗函數有很多種,選擇合適的窗函數顯得尤為重要。在FFT的基礎上添加6種窗函數進行比較后的結果表明,逆變電源加窗后幅值檢測精度得到了大幅提高,相位精度也得到了顯著提高。
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