基于瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法比較

基于瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法比較

0基于單相電路諧波電流檢測方法的仿真模型源能源矩陣是一種應(yīng)用前景的新能源電子裝置，可以有效地處理波形，補償波形，并檢測波形的電壓。1984年，日本學(xué)者HAkagi等提出了著名的三相電路瞬時無功功率理論，此后，這一理論被不斷完善。現(xiàn)在，對于三相電路，基于三相電路瞬時無功功率理論的三相電路諧波電流檢測方法是被實際應(yīng)用所證實的具有應(yīng)用價值的得到公認(rèn)的較為成熟的方法。而對于單相電路，至今還沒有一種公認(rèn)的較為成熟的方法。因此，有源電力濾波器單相電路諧波電流檢測方法的研究一直是國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的一個熱點?，F(xiàn)在，已經(jīng)提出了多種有源電力濾波器單相電路諧波電流檢測方法[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]，基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）和基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法就是其中兩種基于瞬時功率理論的檢測方法。前者以三相電路瞬時無功功率理論為依據(jù)；而后者以單相電路瞬時功率理論為依據(jù)，它具有電路結(jié)構(gòu)簡單，計算量小等特點。文獻指出：基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法與基于三相電路瞬時無功功率理論的三相電路諧波電流檢測方法都是建立在三相電路瞬時無功功率理論基礎(chǔ)之上的，它們在本質(zhì)上是一致的，前者源于后者，因此，前者與后者在檢測精度，動態(tài)性能，電源頻率變化對它們的檢測精度的影響等方面是相同的，甚至前者（如延時最短的方法2）在一些方面優(yōu)于后者，而后者是已經(jīng)得到應(yīng)用的公認(rèn)的較為成熟的三相電路諧波電流檢測方法。所以，可以將基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）作為單相電路諧波電流檢測的一種參考方法。文獻建立了此方法的MATLAB仿真模型并對其進行了仿真研究。為了弄清楚基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的檢測性能，本文將基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）和基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法進行比較，其意義在于：將這兩種方法相比較，若后者的主要性能優(yōu)于前者，則說明后者具有實際應(yīng)用價值，它必將在有源電力濾波器中得到應(yīng)用；若后者的主要性能不如前者，則說明后者沒有實際應(yīng)用價值，沒有應(yīng)用前景，從而沒有繼續(xù)研究的必要；若后者的某些性能優(yōu)于前者，而某些性能不如前者，則找到了后者存在的問題，從而為后者的進一步研究指明方向。根據(jù)文獻建立的后者的MATLAB仿真模型和文獻建立的前者的MATLAB仿真模型，建立了對這兩種方法的檢測性能進行比較的MATLAB仿真模型并對這兩種方法進行了仿真比較。1基于瞬時功率理論的波形電流檢測方法1.1無功電流檢測框圖文獻將三相電路瞬時無功功率理論應(yīng)用于單相電路諧波電流檢測，提出了基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法，其中，延時最短的方法2的諧波與無功電流檢測框圖如圖1所示。其中，us為電源電壓，iL為負(fù)載電流，p為瞬時有功功率，P為p的直流分量，I1p、i1p和ic分別為檢測出的基波有功電流幅值、基波有功電流和需要補償?shù)闹C波與無功電流之和。LPF為低通濾波器，根據(jù)文獻，LPF確定為截止頻率fc=20Hz的2階ButterworthLPFㄢ由單相的負(fù)載電流iL可構(gòu)造α，β兩相電流：iα滯后90°為iβ。由電源電壓us可構(gòu)造α，β兩相電壓：uα滯后90°為uβ。瞬時有功功率為：基波有功電流為：1.2路諧波電流與無功電流檢測框圖文獻提出了“單相電路瞬時功率理論”，根據(jù)“單相電路瞬時功率理論”，提出了基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法，其諧波與無功電流檢測框圖如圖2所示。其中，es為與電源電壓同頻同相的幅值為1的正弦信號，iL為負(fù)載電流，I1p、i1p和ic分別為檢測出的基波有功電流幅值、基波有功電流和需要補償?shù)闹C波與無功電流之和，LPF為低通濾波器，文獻確定LPF為截止頻率fc=15Hz的2階ButterworthLPFㄢ1.3率理論的單相電路諧波電流檢測方法比較圖1和圖2可知：基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法比基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）簡單許多。2兩種檢測方法的模擬比較2.1matlab仿真模型文獻建立了基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的MATLAB仿真模型，而文獻建立了基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的MATLAB仿真模型。根據(jù)這兩種方法的MATLAB仿真模型，可以容易地建立如圖3所示的對這兩種方法的檢測性能進行比較的MATLAB仿真模型。由“從文件讀取信號模塊”分別產(chǎn)生es=sinωt、負(fù)載電流iL和理論上需要補償?shù)闹C波與無功電流之和ic，它們分別由文件sin.mat、IL.mat和ICLL.mat中的數(shù)據(jù)決定。根據(jù)需要改變sin.mat、IL.mat和ICLL.mat文件中的數(shù)據(jù)就可以改變es=sinωt、iL和ic的波形。圖下方虛線框內(nèi)為基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的MATLAB仿真模型。不在虛線框內(nèi)的部分為基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的MATLAB仿真模型（包括公共輸入信號）。根據(jù)需要將es=sinωt、iL、基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）檢測出的基波有功電流幅值I1p1、基波有功電流i1p1、需要補償?shù)闹C波與無功電流之和ic1和誤差ierr1（即ic1-ic），基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法檢測出的基波有功電流幅值I1p2、基波有功電流i1p2、需要補償?shù)闹C波與無功電流之和ic2和誤差ierr2（即ic2-ic）等信號接入“示波器模塊（Scope）”，在“Scope”中方便地觀察和比較這兩種檢測方法的仿真波形。2.2基于單相電路諧波電流檢測方法的比較仿真結(jié)果如圖4～圖8所示。其中，圖4為電源電壓無畸變，負(fù)載電流幅值從1A突然增大為2A時的仿真波形。圖5和圖6為電源電壓發(fā)生畸變時的仿真波形，而圖7和圖8為電源頻率發(fā)生變化（偏離50Hz）時的仿真波形；es為與電源電壓同頻同相的幅值為1的正弦信號，iL為負(fù)載電流；I1p1、i1p1、ic1和ierr1分別為基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）檢測出的基波有功電流幅值、基波有功電流、需要補償?shù)闹C波與無功電流之和和誤差曲線（即ic1-ic）;I1p2、i1p2、ic2和ierr2分別為基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法檢測出的基波有功電流幅值、基波有功電流、需要補償?shù)闹C波與無功電流之和和誤差曲線（即ic2-ic）ㄢ由圖4可知：在電源電壓無畸變時，當(dāng)負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時，I1p1是準(zhǔn)確的因為ierr1為0A，而I1p2存在一定的誤差因為ierr2不為0A。因此，基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的檢測精度略低于基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的檢測精度；而當(dāng)負(fù)載電流處于變化狀態(tài)時，I1p1和I1p2都能夠平滑地跟蹤基波有功電流幅值，它們的動態(tài)響應(yīng)時間無明顯差別。由圖5和圖6可知：|ierr2|的最大值明顯地大于|ierr1|的絕對值，可見，在電源電壓發(fā)生畸變時，基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的檢測精度明顯地低于基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的檢測精度。由圖7和圖8可知：|ierr2|的最大值明顯地小于|ierr1|的最大值。因此，在電源頻率發(fā)生變化時，基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的檢測精度明顯地高于基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的檢測精度。3檢測精度分析(1）基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法比基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）簡單許多；(2）在電源電壓無畸變時，當(dāng)負(fù)載電流處于穩(wěn)定狀態(tài)時，基于單相電路瞬時功率理論的單相電路諧波電流檢測方法的檢測精度略低于基于三相電路瞬時無功功率理論的單相電路諧波電流檢測方法（延時最短的方法2）的檢測精度；而當(dāng)負(fù)載電流處于變化狀態(tài)時，兩種方法都能夠平滑地跟蹤基波有功電流幅值，它們的動態(tài)響應(yīng)時間無明顯差別