农村电网中谐波与无功电流检测方法研究

郭玮，曹靖，陈祖建

（1.山西农业大学 工学院，山西 太谷030801；2.北京农业职业学院 畜牧兽医系，北京102442；3.伦茨（上海）传动系统有限公司，上海200000）

农村电网是以变电、输电和分配电能为主要功能，是协调农村电力生产、分配、输送和消费的重要基础设施。目前我国农网仍存在功率因数低、电压质量差、无功缺额大、滞后大等问题，而且随着农村电网向智能化、国际化水平发展，对电能质量提出了明确的要求，因而改善农村电网中电能质量的研究刻不容缓。谐波与无功电流是影响电能质量的主要因素。现有的谐波检测方法主要有：基于瞬时无功功率理论的谐波检测法、模拟滤波器法、基于fryze传统功率定义的谐波检测法、基于FFT的谐波检测法、基于小波变换的谐波检测法、基于自适应算法的谐波检测法和基于神经网络的谐波检测法等［1］。针对农村电网负荷分散、分布广、线路供电半径较长、发展不平衡等特点［2］，模拟滤波器法误差较大；FFT法计算量大，延时长，实时性不强；自适应算法针对电网不对称时检测误差较大［3］；基于小波变换和神经网络的谐波检测方法是两种新方法，理论性较强，计算量大，要依赖高性能的计算设备，不适合农村电网；基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法实时性好，电路结构简单，延时小，易于实现，检测精度高，适合农村电网的谐波检测［4］。

基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测方法主要有p－q法、ip－iq法和d－q法，论文针对农村电网中的谐波与无功电流，采用上述3种方法进行了 MATLAB／SIMULINK仿真研究，并对仿真结果进行了对比分析，通过比较提出了各种方法的适用场合。

1 谐波与无功电流

谐波是电气量频率大于1的整数倍基波频率的正弦波分量，常称为高次谐波。农村电网中的谐波主要是由非线性负载和变流设备产生。谐波具有以下危害［5］：降低了农村电网的效率、影响农村电气设备的正常工作、引起农村电网中局部的谐振导致谐波放大、对临近的通信系统产生干扰等。随着农村现代化电力设备的增加，农村电网谐波问题日益严重，解决农村电网的谐波问题势在必行［6］。

无功电流是用来表征无功功率大小的，是电路内磁场和电场相互交换的电能。它可使农村电网线路和设备的损耗增加，使供电质量降低。

2 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测方法

日本学者H.Akagi 1983年提出瞬时无功功率理论，p－q法［5，7］和法，它们均能实时准确的检测三相对称电路的谐波和无功电流。后者的适用范围更宽。ip－iq的框图如图1所示。

图1 ip－iq运算方式原理图Fig.1 System of ip－iqdetection method

图2 d－q检测法的原理图Fig.2 System of d－q detection method

ip－iq法中，首先经LPF滤波得出ip、iq的直流分量，接着由可计算出iaf、ibf、icf。将二者相减，便得到谐波分量iah、ibh、ich。

ip－iq法在当电压有畸变时仍能检测出谐波电流，但当电压畸变时却无法检测出基波电流的有功分量［9］。针对农村电网的特殊性，论文提出了d－q法，它是在d－q－0坐标变换的理论基础上简化而来，变换后的信号频率与原信号相差一个基波频率，即50Hz。经d－q－0变换后，abc坐标系下的三相对称正序基波电流、电压分量转换为d－q－0坐标系下的直流分量，而其余需要进行补偿的谐波在d－q－0坐标系则呈现交流分量，就为谐波检测和补偿分量提供了方便。经d－q变换后，可得到准确的基波有功电流［10］。由于该方法只借助于构造正弦和余弦函数，以实现与相电压矢量同步旋转坐标系下的Park变换，其检测结果的精度不受系统电压畸变与否的影响。d－q法的原理图如图2所示。其中，

3 仿真研究

采用 MATLAB7.1／SIMULINT［11］软件分别对3种检测方法进行仿真研究。当农村电网电压无畸变时电压源均采用标准正弦波信号，而当农村电网电压有畸变时在标准正弦波电压的基础上加上5次、7次谐波［12］。d－q法的仿真框图如图3所示。

图3 d－q检测法的仿真Fig.3 Simulation of d－q detection method

4 仿真结果

4.1 农村电网电压无畸变

当农村电网电压无畸变时，3种检测方法的结果一样，a相基波电流，谐波电流，谐波与无功电流分别如图4所示。

图4（a） a相基波电流Fig.4（a） Fundamental current of a phase

图4（b） a相谐波电流Fig.4（b） Harmonic current of a phase

图4（c） a相谐波与无功电流Fig.4（c） Harmonic and reactive current of a phase

4.2 农村电网电压有畸变

图5（a） p－q检测法的a相电流Fig.5（a） A phase current by p－q method

当农村电网电压有畸变时（在a相正弦波电压基础上加上5次谐波作为畸变电压），经3种检测方法的a相基波电流分别如图5（a）、5（b）、5（c）所示。

图5（b） ip－iq检测法的a相电流Fig.5（b） A phase current by ip－iqmethod

图5（c） d－q检测法的a相电流Fig.5（c） A phase current by d－q method

由图5可以看出，在农村电网中，电网电压发生畸变时，p－q检测法得到的基波电流畸变最为厉害，ip－iq法较为接近标准正弦波，而d－q法得到的基波电流为标准正弦波形式，与电网电压没有畸变时的基波电流一样，说明d－q法不受电网电压畸变和不对称电压的影响，而且将基波分量在d－q坐标中变换到零频率处。

5 结论

论文对农村电网中的谐波与无功电流检测方法进行了对比分析，并指出适合农村电网的方法是基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测方法，并对p－q法、ip－iq法、d－q法进行仿真研究，仿真结果表明，农村电网电压没有发生畸变时，p－q法、ip－iq法、d－q法的检测结果都是正确的。而当农村电网电压发生畸变时，p－q法的检测结果有着较大的误差，ip－iq法虽能能检测出谐波，但是精确度不高，而且无法检测出基波有功电流。而d－q法对三相电流进行d－q变换，不仅可检测出谐波电流，还能得到准确的基波有功电流，且不受电源畸变与否的影响。该方法能够准确、实时的跟踪电网谐波电流变化，其检测精确度和准确度都负荷农村电网的要求。

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