大电机谐波及无功电流检测方法的研究

　　1　引　言

　　1 000 kW以上的大电机经常工作在频繁启动和轻载运行的状态中,这样会造成谐波电流较大、功率因数较低,严重危害电网质量和其他设备的安全运行。利用传统的无源LC滤波器和一些无功补偿装置,由于受自身能力的限制,已不能满足现代电力系统发展的需要。随着电力电子技术和控制理论的发展,出现了有源电力滤波器(APF),它对电网阻抗和谐波频率有较好适应能力,且不会产生谐波放大和过载,已被广泛应用。有源电力滤波器的基本原理是实时检测电网谐波和无功电流,然后产生与之大小相等、相位相反的电流,进行实时补偿,使电网电流成为与电压同相位的正弦波,从而达到抑制谐波、补偿无功的目的[1]。有源电力滤波器补偿电流大小、方向、相位及精度很大程度取决于谐波的检测电路。如果检测电路具有实时性好、精度高、误差小等优点,有源电力滤波器的补偿就会较好。否则,有源电力滤波器补偿电流要么大于谐波电流,出现过补偿,从而成为又一谐波源;要么小于谐波电流,出现欠补偿。谐波检测对有源电力滤波器补偿起很大的决定性作用,如果要求有源电力滤波器的补偿效果好,必须使谐波检测电路具有实时性好、精度高、误差小等优点,实时性和连续性均有赖于无功电流的检测的实时性和精度,所以有必要深入研究谐波测量电路[2]。

　　2　无功及谐波电流的检测方法

　　目前无功及谐波电流的检测主要有以下几种方法[3]。

　　2. 1　基于Fryze功率定义的检测方法

　　其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量,将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流)。它的缺点是:因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的,所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分,再加其它运算电路,要有几个周期延时。因此,用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。

　　2. 2　用模拟带通滤波器检测的方法

　　用模拟带通滤波器(或陷波器)检测有害电流。由于滤波器中心频率固定,当电网频率波动时,滤波效果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感,这样要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的,并且这种方法也不能同时分离出无功电流和谐波电流。

　　2. 3　基于频域分析的FFT检测法

　　此方法需进行两次FFT变换,约需80 ms,瞬时性误差较大,且电压畸变将带来较大的非同步采样误差,特别是对高次谐波的检测精度影响较大。

　　2. 4　基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法

　　瞬时无功功率理论[1]的基本思路是:将A、B、C三相系统电压、电流转换成α、β、γ坐标系上的矢量,将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率;将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率,然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义,使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性,有利于系统的快速控制。但是基于瞬时无功理论的检测方法有以下一些问题: (1)由于使用大量的乘法器,电路结构复杂; (2)当电压波形发生畸变时,检测精度受到很大影响; (3)不能用于单相电路。