瞬时无功功率的谐波电压检测法
2014-03-10吴郭芳
摘要：谐波电压检测是根据瞬时无功功率理论提出的，是影响抑制谐波电压源的重要因素。谐波电压检测法利用其快速、准确的特点，应用于电子线路的实现，通过事实证明谐波电压检测法的正确性和可行性。
关键词：谐波电压检测；瞬时无功功率；电子线路
中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0077-02
随着科学的发展，变频器、变流器、开关电源和电抗器等电力设备应用与日俱增，电力电子技术得到空前的发展。谐波电压检测是谐波检测的一个重要内容，是解决谐波检测其他内容的基础。本文主要介绍以瞬时无功功率理论为基础的谐波电压检测的方法。
1 瞬时无功功率理论
1.1 瞬时无功功率的发展及定义
瞬时无功功率的提出最早始于1983年，由电力电子学会主席赤木泰文等众多科学家共同提出的三相瞬时电流，将电流分为有功电流和无功电流，在此基础上瞬时无功功率应运而生。
瞬时无功功率理论认为：三相电路瞬时有功功率为各项瞬时有功功率之和，同时也是瞬时功率之和，反映出三相电路整体由电源向负载传递的功率；而瞬时无功功率只是在三相电路之间进行传递，不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是各项瞬时无功功率之和恒等于零的一种特殊情况。
1.2 瞬时无功功率理论应用
随着科技的不断发展，瞬时无功功率理论的应用越来越广泛，尤其是在电力系统中功率、电流、电压的瞬时检测，以及谐波动态的跟踪中都有重要的应用。但是，这种瞬时值的引入并不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是反映某一时刻，将三相电路作为一个整体，由电源向三相电路传送的有功功率及无功功率在电流中相互传输的情况。
谐波抑制主要采用有源电力滤波器，利用电流的畸变比电压畸变严重，对电流进行谐波动态跟踪补偿，从而对频率和幅值进行动态补偿。谐波动态跟踪补偿技术不受电网阻抗的影响，紧随脉冲宽度调节来调节其补偿范围。基于瞬时无功功率理论的检测方法有：测试瞬时有功功率的p-q法、测试无功功率的p-q法和测试瞬时有功电流的Ip-Iq法以及测试无功电流的Ip-Iq法。
瞬时无功功率理论延伸出的瞬时有功功率和无功功率的变化反应出功率的有效值和相位的瞬时变化，本质上就是利用瞬时值代替了传统的有效分析三相电力系统，符合现今社会电力系统的发展需求和对电压的谐波检测。
在电流电压均为对称的正弦波形时瞬时功率的表达式和传统功率的表达式是一致的，即在此情况下的瞬时功率等于传统功率；如果电流电压中存在畸变或者是不对称的情况时，瞬时无功功率会分为直流分量和交流分量两部分。其中瞬时功率的直流分量与三相系统中基波分量相互对应，而瞬时功率产生交流分量与谐波分量相对应，此时瞬时功率理论是传统功率理论的的一种扩展，即瞬时功率只是传统功率的一种特殊情况。
2 滤波器的工作原理
采用电力有源滤波器有效的补偿电网谐波已经成为当今电力科技领域发展的一大趋势。当今社会，电力电子装置大都采用串联型电力有源滤波器（SAPF）来抑制因大量谐波电流注入电网而带来的严重谐波污染。SAPF的主电路是由电力半导体组成的带有直流电容的三项桥式脉冲宽度调制逆变器，利用微处理器的数字对模拟电路进行控制，相当于受控电压源串联在电压与负载
之间。
SAPF的工作原理主要是：利用瞬时无功功率理论计算SPAF的瞬时畸变量，再由脉冲宽度调制逆变器产生脉冲宽度调制波，使变压器副边得到与电网畸变电压等值反向的电压，抵消因SPAF瞬时畸变产生的谐波污染，以控制单元检测电网供电。
由SPAF的工作原理可知，为了保证电网谐波能有良好的补充，SAPF中有源滤波器检测电路时一般要采用窄带滤波器选频法和傅里叶变换采样数字化的计算法进行快速的检测谐波电压。但是由于两种方法在使用时都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄带滤波器选频法，由于相位和选择性要求较大，造成电路参数使用选择困难、相位延时使用和频率变化较大等后果，使检测结果不精确；（2）基于快速傅里叶变换的采样数字化计算法，由于需要高精度的数模转换器，检测速度过慢，与有源滤波器的要求不符。
3 瞬时无功功率的和谐波电压的检测法
基于窄带滤波器选频法和快速傅里叶变换的采样数字化计算法两种算法在补充电网谐波时产生的不足，在瞬时无功功率理论的指导下提出了谐波电压检测法。该方法在检测中加有标准电流信号，可以不影响使电网中因电流畸变产生的电压畸变的精简速度，检测结果也可以及时反映频率偏移的变化。
谐波是由波形畸变产生的，因此谐波波形不满足标准的正弦表达式，同时与三相系统中基波波形不对称，还可能使波形的幅值、相角在不同的周期内出现跃变。这样，以平均值为基础的正弦物理量就不能反映系统的真实情况。因此，为了加快动态响应速度，提高谐波电压检测和补偿效果，需要利用矩阵实验室进行仿真验证，用以对反馈补偿模型进行更加详细的讨论。
3.1 n次谐波电压实时检测方法
当n次谐波电压进行检测时，需另外取三相电流作为n次谐波电流的对称，其表达式为：
（1）
需要检测的三相负载策相电压为：
（2）
通过表达（1）、（2）可求出瞬时有功功率和瞬时无功功率，同时验证只有当m=n时，瞬时有功功率和瞬时无功功率才有直流分量，并可求出直流分量为：
（3）
通过以上表达式求出原负载相电压中n次谐波电压的值，同理n取值为任意整数的谐波电压都可求出。从上述的推导过程可以看出，作为三相电流信号而另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果并无影响，因此电压检测精度不会因三相电路中电流的畸变而改变。
3.2 频率偏移对谐波电压的影响
由上面论述可知：三相电流信号对另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果无影响。因此，在频率偏移对谐波电压的影响实验中正、余弦电流信号可设为固定频率的信号。
电网中电压频率的波动范围一般在50Hz左右变动，因此可在不影响结果的情况下，假定检测基波固定为50Hz。如果某时刻经过基波检测后的的频率变为48.5Hz，由于另加的电流信号为50Hz，可知此时所得的直流分量实际上是频率为1.5Hz的波动量，较高于低通滤波器的截止频率，所以此时的频率波动可以完全保留；同时，根据固定基波50Hz减去频率波动量可得到频率为48.5的基波，谐波检查不影响最终的检测结果。同理，其他数值的谐波检测结果是一样的。
4 结语
本文通过对瞬时无功功率理论和有源滤波器工作原理的分析，提出了基于瞬时无功功率原理的谐波电压检测方法，弥补了窄带滤波器选频和快速傅里叶变换的采样数字化计算两种算法的不足。证明了谐波电压瞬时检测方法能快速、准确地检测出非线性负载输入电压中的谐波电压分量，证实了方法的正确性和可行性。
参考文献
[1] 王敬禹，贺剑，田晨.基于瞬时无功功率理论的
APF仿真设计[J].价值工程，2013，（26）.
[2] 周敬尧.瞬时无功功率理论在配电网电能质量控制
中的应用[J].黑龙江科技信息，2013，（24）.
[3] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的
谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，
2013，（3）.
[4] 周贵锁，郭志波，王深.基于瞬时无功功率理论的
谐波电流检测与仿真[J].农业科技与装备，
2013，（9）.
作者简介：吴郭芳（1976—），湖北来凤人，国网湖北省电力公司来凤县供电公司助理工程师，研究方向：电压及电力可靠性管理。endprint
摘要：谐波电压检测是根据瞬时无功功率理论提出的，是影响抑制谐波电压源的重要因素。谐波电压检测法利用其快速、准确的特点，应用于电子线路的实现，通过事实证明谐波电压检测法的正确性和可行性。
关键词：谐波电压检测；瞬时无功功率；电子线路
中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0077-02
随着科学的发展，变频器、变流器、开关电源和电抗器等电力设备应用与日俱增，电力电子技术得到空前的发展。谐波电压检测是谐波检测的一个重要内容，是解决谐波检测其他内容的基础。本文主要介绍以瞬时无功功率理论为基础的谐波电压检测的方法。
1 瞬时无功功率理论
1.1 瞬时无功功率的发展及定义
瞬时无功功率的提出最早始于1983年，由电力电子学会主席赤木泰文等众多科学家共同提出的三相瞬时电流，将电流分为有功电流和无功电流，在此基础上瞬时无功功率应运而生。
瞬时无功功率理论认为：三相电路瞬时有功功率为各项瞬时有功功率之和，同时也是瞬时功率之和，反映出三相电路整体由电源向负载传递的功率；而瞬时无功功率只是在三相电路之间进行传递，不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是各项瞬时无功功率之和恒等于零的一种特殊情况。
1.2 瞬时无功功率理论应用
随着科技的不断发展，瞬时无功功率理论的应用越来越广泛，尤其是在电力系统中功率、电流、电压的瞬时检测，以及谐波动态的跟踪中都有重要的应用。但是，这种瞬时值的引入并不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是反映某一时刻，将三相电路作为一个整体，由电源向三相电路传送的有功功率及无功功率在电流中相互传输的情况。
谐波抑制主要采用有源电力滤波器，利用电流的畸变比电压畸变严重，对电流进行谐波动态跟踪补偿，从而对频率和幅值进行动态补偿。谐波动态跟踪补偿技术不受电网阻抗的影响，紧随脉冲宽度调节来调节其补偿范围。基于瞬时无功功率理论的检测方法有：测试瞬时有功功率的p-q法、测试无功功率的p-q法和测试瞬时有功电流的Ip-Iq法以及测试无功电流的Ip-Iq法。
瞬时无功功率理论延伸出的瞬时有功功率和无功功率的变化反应出功率的有效值和相位的瞬时变化，本质上就是利用瞬时值代替了传统的有效分析三相电力系统，符合现今社会电力系统的发展需求和对电压的谐波检测。
在电流电压均为对称的正弦波形时瞬时功率的表达式和传统功率的表达式是一致的，即在此情况下的瞬时功率等于传统功率；如果电流电压中存在畸变或者是不对称的情况时，瞬时无功功率会分为直流分量和交流分量两部分。其中瞬时功率的直流分量与三相系统中基波分量相互对应，而瞬时功率产生交流分量与谐波分量相对应，此时瞬时功率理论是传统功率理论的的一种扩展，即瞬时功率只是传统功率的一种特殊情况。
2 滤波器的工作原理
采用电力有源滤波器有效的补偿电网谐波已经成为当今电力科技领域发展的一大趋势。当今社会，电力电子装置大都采用串联型电力有源滤波器（SAPF）来抑制因大量谐波电流注入电网而带来的严重谐波污染。SAPF的主电路是由电力半导体组成的带有直流电容的三项桥式脉冲宽度调制逆变器，利用微处理器的数字对模拟电路进行控制，相当于受控电压源串联在电压与负载
之间。
SAPF的工作原理主要是：利用瞬时无功功率理论计算SPAF的瞬时畸变量，再由脉冲宽度调制逆变器产生脉冲宽度调制波，使变压器副边得到与电网畸变电压等值反向的电压，抵消因SPAF瞬时畸变产生的谐波污染，以控制单元检测电网供电。
由SPAF的工作原理可知，为了保证电网谐波能有良好的补充，SAPF中有源滤波器检测电路时一般要采用窄带滤波器选频法和傅里叶变换采样数字化的计算法进行快速的检测谐波电压。但是由于两种方法在使用时都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄带滤波器选频法，由于相位和选择性要求较大，造成电路参数使用选择困难、相位延时使用和频率变化较大等后果，使检测结果不精确；（2）基于快速傅里叶变换的采样数字化计算法，由于需要高精度的数模转换器，检测速度过慢，与有源滤波器的要求不符。
3 瞬时无功功率的和谐波电压的检测法
基于窄带滤波器选频法和快速傅里叶变换的采样数字化计算法两种算法在补充电网谐波时产生的不足，在瞬时无功功率理论的指导下提出了谐波电压检测法。该方法在检测中加有标准电流信号，可以不影响使电网中因电流畸变产生的电压畸变的精简速度，检测结果也可以及时反映频率偏移的变化。
谐波是由波形畸变产生的，因此谐波波形不满足标准的正弦表达式，同时与三相系统中基波波形不对称，还可能使波形的幅值、相角在不同的周期内出现跃变。这样，以平均值为基础的正弦物理量就不能反映系统的真实情况。因此，为了加快动态响应速度，提高谐波电压检测和补偿效果，需要利用矩阵实验室进行仿真验证，用以对反馈补偿模型进行更加详细的讨论。
3.1 n次谐波电压实时检测方法
当n次谐波电压进行检测时，需另外取三相电流作为n次谐波电流的对称，其表达式为：
（1）
需要检测的三相负载策相电压为：
（2）
通过表达（1）、（2）可求出瞬时有功功率和瞬时无功功率，同时验证只有当m=n时，瞬时有功功率和瞬时无功功率才有直流分量，并可求出直流分量为：
（3）
通过以上表达式求出原负载相电压中n次谐波电压的值，同理n取值为任意整数的谐波电压都可求出。从上述的推导过程可以看出，作为三相电流信号而另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果并无影响，因此电压检测精度不会因三相电路中电流的畸变而改变。
3.2 频率偏移对谐波电压的影响
由上面论述可知：三相电流信号对另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果无影响。因此，在频率偏移对谐波电压的影响实验中正、余弦电流信号可设为固定频率的信号。
电网中电压频率的波动范围一般在50Hz左右变动，因此可在不影响结果的情况下，假定检测基波固定为50Hz。如果某时刻经过基波检测后的的频率变为48.5Hz，由于另加的电流信号为50Hz，可知此时所得的直流分量实际上是频率为1.5Hz的波动量，较高于低通滤波器的截止频率，所以此时的频率波动可以完全保留；同时，根据固定基波50Hz减去频率波动量可得到频率为48.5的基波，谐波检查不影响最终的检测结果。同理，其他数值的谐波检测结果是一样的。
4 结语
本文通过对瞬时无功功率理论和有源滤波器工作原理的分析，提出了基于瞬时无功功率原理的谐波电压检测方法，弥补了窄带滤波器选频和快速傅里叶变换的采样数字化计算两种算法的不足。证明了谐波电压瞬时检测方法能快速、准确地检测出非线性负载输入电压中的谐波电压分量，证实了方法的正确性和可行性。
参考文献
[1] 王敬禹，贺剑，田晨.基于瞬时无功功率理论的
APF仿真设计[J].价值工程，2013，（26）.
[2] 周敬尧.瞬时无功功率理论在配电网电能质量控制
中的应用[J].黑龙江科技信息，2013，（24）.
[3] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的
谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，
2013，（3）.
[4] 周贵锁，郭志波，王深.基于瞬时无功功率理论的
谐波电流检测与仿真[J].农业科技与装备，
2013，（9）.
作者简介：吴郭芳（1976—），湖北来凤人，国网湖北省电力公司来凤县供电公司助理工程师，研究方向：电压及电力可靠性管理。endprint
摘要：谐波电压检测是根据瞬时无功功率理论提出的，是影响抑制谐波电压源的重要因素。谐波电压检测法利用其快速、准确的特点，应用于电子线路的实现，通过事实证明谐波电压检测法的正确性和可行性。
关键词：谐波电压检测；瞬时无功功率；电子线路
中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0077-02
随着科学的发展，变频器、变流器、开关电源和电抗器等电力设备应用与日俱增，电力电子技术得到空前的发展。谐波电压检测是谐波检测的一个重要内容，是解决谐波检测其他内容的基础。本文主要介绍以瞬时无功功率理论为基础的谐波电压检测的方法。
1 瞬时无功功率理论
1.1 瞬时无功功率的发展及定义
瞬时无功功率的提出最早始于1983年，由电力电子学会主席赤木泰文等众多科学家共同提出的三相瞬时电流，将电流分为有功电流和无功电流，在此基础上瞬时无功功率应运而生。
瞬时无功功率理论认为：三相电路瞬时有功功率为各项瞬时有功功率之和，同时也是瞬时功率之和，反映出三相电路整体由电源向负载传递的功率；而瞬时无功功率只是在三相电路之间进行传递，不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是各项瞬时无功功率之和恒等于零的一种特殊情况。
1.2 瞬时无功功率理论应用
随着科技的不断发展，瞬时无功功率理论的应用越来越广泛，尤其是在电力系统中功率、电流、电压的瞬时检测，以及谐波动态的跟踪中都有重要的应用。但是，这种瞬时值的引入并不是三相电路系统瞬时值的简单叠加，而是反映某一时刻，将三相电路作为一个整体，由电源向三相电路传送的有功功率及无功功率在电流中相互传输的情况。
谐波抑制主要采用有源电力滤波器，利用电流的畸变比电压畸变严重，对电流进行谐波动态跟踪补偿，从而对频率和幅值进行动态补偿。谐波动态跟踪补偿技术不受电网阻抗的影响，紧随脉冲宽度调节来调节其补偿范围。基于瞬时无功功率理论的检测方法有：测试瞬时有功功率的p-q法、测试无功功率的p-q法和测试瞬时有功电流的Ip-Iq法以及测试无功电流的Ip-Iq法。
瞬时无功功率理论延伸出的瞬时有功功率和无功功率的变化反应出功率的有效值和相位的瞬时变化，本质上就是利用瞬时值代替了传统的有效分析三相电力系统，符合现今社会电力系统的发展需求和对电压的谐波检测。
在电流电压均为对称的正弦波形时瞬时功率的表达式和传统功率的表达式是一致的，即在此情况下的瞬时功率等于传统功率；如果电流电压中存在畸变或者是不对称的情况时，瞬时无功功率会分为直流分量和交流分量两部分。其中瞬时功率的直流分量与三相系统中基波分量相互对应，而瞬时功率产生交流分量与谐波分量相对应，此时瞬时功率理论是传统功率理论的的一种扩展，即瞬时功率只是传统功率的一种特殊情况。
2 滤波器的工作原理
采用电力有源滤波器有效的补偿电网谐波已经成为当今电力科技领域发展的一大趋势。当今社会，电力电子装置大都采用串联型电力有源滤波器（SAPF）来抑制因大量谐波电流注入电网而带来的严重谐波污染。SAPF的主电路是由电力半导体组成的带有直流电容的三项桥式脉冲宽度调制逆变器，利用微处理器的数字对模拟电路进行控制，相当于受控电压源串联在电压与负载
之间。
SAPF的工作原理主要是：利用瞬时无功功率理论计算SPAF的瞬时畸变量，再由脉冲宽度调制逆变器产生脉冲宽度调制波，使变压器副边得到与电网畸变电压等值反向的电压，抵消因SPAF瞬时畸变产生的谐波污染，以控制单元检测电网供电。
由SPAF的工作原理可知，为了保证电网谐波能有良好的补充，SAPF中有源滤波器检测电路时一般要采用窄带滤波器选频法和傅里叶变换采样数字化的计算法进行快速的检测谐波电压。但是由于两种方法在使用时都存在一定的弊端，其原因是：（1）窄带滤波器选频法，由于相位和选择性要求较大，造成电路参数使用选择困难、相位延时使用和频率变化较大等后果，使检测结果不精确；（2）基于快速傅里叶变换的采样数字化计算法，由于需要高精度的数模转换器，检测速度过慢，与有源滤波器的要求不符。
3 瞬时无功功率的和谐波电压的检测法
基于窄带滤波器选频法和快速傅里叶变换的采样数字化计算法两种算法在补充电网谐波时产生的不足，在瞬时无功功率理论的指导下提出了谐波电压检测法。该方法在检测中加有标准电流信号，可以不影响使电网中因电流畸变产生的电压畸变的精简速度，检测结果也可以及时反映频率偏移的变化。
谐波是由波形畸变产生的，因此谐波波形不满足标准的正弦表达式，同时与三相系统中基波波形不对称，还可能使波形的幅值、相角在不同的周期内出现跃变。这样，以平均值为基础的正弦物理量就不能反映系统的真实情况。因此，为了加快动态响应速度，提高谐波电压检测和补偿效果，需要利用矩阵实验室进行仿真验证，用以对反馈补偿模型进行更加详细的讨论。
3.1 n次谐波电压实时检测方法
当n次谐波电压进行检测时，需另外取三相电流作为n次谐波电流的对称，其表达式为：
（1）
需要检测的三相负载策相电压为：
（2）
通过表达（1）、（2）可求出瞬时有功功率和瞬时无功功率，同时验证只有当m=n时，瞬时有功功率和瞬时无功功率才有直流分量，并可求出直流分量为：
（3）
通过以上表达式求出原负载相电压中n次谐波电压的值，同理n取值为任意整数的谐波电压都可求出。从上述的推导过程可以看出，作为三相电流信号而另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果并无影响，因此电压检测精度不会因三相电路中电流的畸变而改变。
3.2 频率偏移对谐波电压的影响
由上面论述可知：三相电流信号对另加的n次正弦信号和余弦信号，其幅值和相角对最后谐波电压值的计算结果无影响。因此，在频率偏移对谐波电压的影响实验中正、余弦电流信号可设为固定频率的信号。
电网中电压频率的波动范围一般在50Hz左右变动，因此可在不影响结果的情况下，假定检测基波固定为50Hz。如果某时刻经过基波检测后的的频率变为48.5Hz，由于另加的电流信号为50Hz，可知此时所得的直流分量实际上是频率为1.5Hz的波动量，较高于低通滤波器的截止频率，所以此时的频率波动可以完全保留；同时，根据固定基波50Hz减去频率波动量可得到频率为48.5的基波，谐波检查不影响最终的检测结果。同理，其他数值的谐波检测结果是一样的。
4 结语
本文通过对瞬时无功功率理论和有源滤波器工作原理的分析，提出了基于瞬时无功功率原理的谐波电压检测方法，弥补了窄带滤波器选频和快速傅里叶变换的采样数字化计算两种算法的不足。证明了谐波电压瞬时检测方法能快速、准确地检测出非线性负载输入电压中的谐波电压分量，证实了方法的正确性和可行性。
参考文献
[1] 王敬禹，贺剑，田晨.基于瞬时无功功率理论的
APF仿真设计[J].价值工程，2013，（26）.
[2] 周敬尧.瞬时无功功率理论在配电网电能质量控制
中的应用[J].黑龙江科技信息，2013，（24）.
[3] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的
谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，
2013，（3）.
[4] 周贵锁，郭志波，王深.基于瞬时无功功率理论的
谐波电流检测与仿真[J].农业科技与装备，
2013，（9）.
作者简介：吴郭芳（1976—），湖北来凤人，国网湖北省电力公司来凤县供电公司助理工程师，研究方向：电压及电力可靠性管理。endprint
