一种基于P-Q理论的谐波电流检测方法的研究

摘  要： 介绍了P-Q瞬时无功功率理论在有源电力滤波器谐波电流检测中的应用，合理地选择需要补偿的有功和无功分量，对补偿前后电网的电流进行了比较，并用Matlab软件进行仿真。理论和仿真结果表明，该谐波电流检测方法在有源电力滤波器中可以得到很好的应用。
关键词： 有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；谐波电流检测；滞环比较控制

    随着电力电子设备在工业和人们日常生活中的大量应用，在给人们带来高效节能的同时，由于其本身的非线性特征而产生的大量谐波给电网造成了严重的影响。例如电网的线路损耗增加，影响周围用电设备的正常工作等。为此，解决谐波污染问题已经迫在眉睫。与传统的无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能够有效地克服一些缺点。诸如无源电力滤波器易与电网发生串并联谐振，只能补偿特定次谐波，动态性能差等特点。有源电力滤波器在近些年得到了很大的发展，国内外学者对其进行了大量的研究[1-2]。
    谐波电流检测的准确性和快速性直接影响有源电力滤波器的性能。为此，采取合理的谐波电流检测方法成为有源电力滤波器的一项关键技术。目前，常用的谐波电流检测技术包括瞬时无功功率理论(P-Q理论)、快速傅里叶变换(FFT)和小波分析法等。P-Q理论自1983被日本的学者提出之后就得到了人们的重视，并有效地应用在有源电力滤波器谐波电流检测中[3]。
    本文在对P-Q瞬时无功功率理论阐述的基础上提出了一种用于谐波电流检测的方法，并对其进行了Matlab仿真验证。
1 P-Q理论
1.1 Clarke变换
    Clarke变换即α-β变换，是指将三相电流和三相电压根据功率不变理论投影到静止的α-β坐标系中，采用α-β变换可以将零序分量从abc坐标系中分离出来，在三相三线制中不存在零序分量。以电压为例，Clarke及其反变换可以表示如下：
 
1.2 P-Q理论
    P-Q瞬时无功功率理论是在三相系统中定义的，在三相三线制系统中，瞬时零序分量被剔除，瞬时有功分量和无功分量是基于α-β坐标系下的瞬时相电压和线电流定义的，表示如下：

 

    由图3可以看出，由于负载的非线性导致电流的波形呈现阶梯状，存在大量的谐波。当接入并联有源电力滤波器之后，由图4分析可知，波形得到了很大的改善，谐波成分大量减少，接近正弦波，只是在过渡过程中存在一些畸变，这主要是由于低通滤波器的特性所致。

    同时绘出了补偿后整个系统的有功分量和无功分量，如图5所示，从图中可以看出，补偿之后的p和q趋于恒定值，除含有少量的高次谐波之外，只含有直流分量。可以看出，经过有源电力滤波器的补偿之后，使得有功功率和无功功率稳定，不再随时间而变化。

    通过以上的分析和仿真验证可以得出，P-Q理论在有源电力滤波器的设计中可以得到很好地应用，只要适当地选择需要补偿的有功和无功分量，可以使电网的电流正弦化，极大地消除了由负载非线性产生的不利影响。有源电力滤波器作为抑制谐波、补偿无功和改善网侧电流的有效工具，在实际工业生产中得到了广泛的应用，同时，对其研究也在不断地发展。
参考文献
[1] 张毅，张波，丘东元.有源电力滤波器的实时谐波检测方法分析[J].电力电子，2007，5(4)：42-46.
[2] 李平，宋晓.基于改进型瞬时无功功率的有源电力滤波器的研究[J].煤矿机械，2010，31(10)：64-66.
[3] AKAGI H，KANAZAWA Y，NABAE A.Generalized theory  of instantaneous reactive power and its applications[J].Transaction of the IEE-Japan，Part B，1983，103(7)：483-490.
[4] 李钟慎.基于Matlab设计巴特沃斯低通滤波器[J].信息技术，2003，27(3)：49-52.
[5] 粟时平，李圣怡.并联有源滤波器的最优电压滞环电流控制[J].电力自动化设备，2002，22(4)：14-17.