基于MATLAB的广义有源电力滤波器检测方法研究

吕振梅，郑龙

（湖南省电力公司超高压管理局，湖南 长沙 410076）

1 引言

随着大功率电力电子装置等非线性负载的广泛使用，产生大量谐波电流注入电网。谐波给供、用电设备以及电网造成危害，因此抑制谐波是改善电能质量的重要措施。基于广义瞬时无功功率理论的p－q－r算法检测谐波、无功和三相不平衡电流时，进行的运算大多都是瞬时值运算，响应速度很快。

传统的p－q－r算法中假定了系统三相电压为完全的基波正序电压，如果系统电压中存在负序和谐波分量，这些电压分量与正序基波电流、负序基波电流和谐波电流作用时既可能产生基波也可能产生谐波，即瞬时功率的直流分量和交流分量都可能包含正序基波电流、负序基波电流和谐波电流的贡献。由此得到的负荷电流负序分量和谐波分量只能是近似的，并且电压波形畸变越严重，检测结果的精度越低。为了克服三相电压存在负序分量或谐波分量的不足，本文采用前置数字低通滤波器的方法，对采样的电网电压信号进行滤波，去除谐波成分，保留基波成分，从而提高有害电流检测的精度。

2 基于p－q－r坐标变换的广义瞬时无功功率理论

p－q－r法［1－4］首先通过空间变换，将a－b－c空间坐标系下的电压、电流变换到三相正交坐标α－β－0下，p－q－r法中使电压矢量落在直角正交坐标系的p轴上，在q、r轴上没有电压分量。同时，使q轴在α－β平面上，p、q、r轴构成正交坐标系。a－b－c坐标系下电压和电流变换到p－q－r坐标系后分别为ep、eq、er和ip、iq、ir。p －q － r坐标系下瞬时有功功率p和瞬时无功功率q定义如下:

其中p是瞬时有功功率；qq是q轴上的瞬时无功功率；qr是r轴上的瞬时无功功率。3个瞬时功率分量相互线性独立，增大了补偿的灵活性。

在系统电压无畸变时，p轴电流的直流分量来自基波正序有功电流分量，交流分量由基波负序、零序电流和谐波电流转化而来。q轴电流的直流分量来自基波正序无功电流，交流分量由谐波电流转化而来。因此，可根据补偿目的来确定p、q、r轴上补偿电流大小。

当系统电压发生畸变时会影响谐波检测的精度，因此本文前置数字低通滤波器滤除系统电压谐波，保留基波。

根据补偿要求，可以选择对电流量ip，iq滤波，称为电流控制法。使用电流控制法检测上述瞬时有害电流的原理图如图1所示。GAPF以该瞬时有害电流作为指令电流进行控制，则能够实现对谐波、无功和三相不平衡的补偿。

图1 p－q－r电流控制法检测原理图

图1中，

3 仿真建模

根据上述原理，用MATLAB/SIMULINK作为工具来构造 GAPF指令电流检测的仿真模型［5－7］，即将GAPF指令电流检测工作时的数学表达式用SIMULINK中的方块图表示出来。

图2所示为GAPF的仿真模型。它包括主电路仿真模型、基于p－q－r坐标变换的广义瞬时无功功率理论检测电流的仿真模型和GAPF控制电路仿真模型。其检测电路由三相三相变换模块C33，p、q、r运算模块Cpqr，逆运算模块C，三相三相变换逆模块C33－1以及低通滤波器（LPF）构成，控制电路由PWM信号发生电路和触发电路构成。

图2 GAPF仿真模型

本MATLAB仿真选择2个2nd－OrderFilter低通滤波器，对瞬时有功功率和瞬时无功功率进行低通滤波，得出其中直流分量。

4 仿真及其结果分析

GAPF仿真的系统条件为:三相四线制电网电压存在畸变，三相电源电压有效值为220V、频率为50Hz。电压含有 3次和 5次谐波（含量分别为32.21%，16.1%）。由于系统电压存在畸变，本文先用二阶数字低通滤波器进行滤波，提取出电压的基波，滤波器截止频率为80Hz。图3和图4分别为系统在GAPF补偿前后的电源侧各相电流波形。

图3 补偿前负载侧电流波形

图4 补偿后电源侧电流波形

从图3中可以很明显的看到，电流存在严重的畸变。经过补偿后得到了基波电流，滤除了谐波电流，如图4所示。

5 结论

基于p－q－r坐标变换的广义瞬时无功功率理论的GAPF有害电流检测在对于电网电压无畸变的情况下，补偿效果好。对于电网电压畸变的情况，本文采用数字低通滤波器对畸变的电压进行了滤波，从而能够消除电压畸变的影响。理论分析和仿真均说明使用基于p－q－r坐标变换的广义瞬时无功功率理论，能够实时、精确检测GAPF的有害电流。

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