首页资源分类工业控制其他 > ip-iq谐波检测法的仿真及实验研究

ip-iq谐波检测法的仿真及实验研究

已有 453361个资源

下载专区

上传者其他资源

文档信息举报收藏

标    签: ipiq谐波检测

分    享:

文档简介

ip-iq谐波检测法的仿真及实验研究

文档预览

ip-iq谐波检测法的仿真及实验研究 赵梦莹1,李文娟2 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨 150080 1) Email: mengying0815@163.com 2) Email:lwenjuan@163.com 摘要:针对电网净化过程中的谐波检测问题,本文阐述了基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法的原理,建立了该方法的 仿真模型,设计了电流信号调理电路和锁相环及倍频电路等硬件电路,搭建了相应的实验系统。对ip-iq检测法进行了仿真和 实验研究。仿真及实验结果均表明ip-iq谐波检测法可以在一个周期内实时准确的完成谐波的检测,为有源电力滤波器的设计 提供了理论和实验依据。 关键词:瞬时无功功率理论,i p -i q ,谐波 Simulation and Experiment Study on ip-iq Harmonic Detection Method Abstract To the question of harmonic detecting in power system, the principle of ip-iq harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory is present. Simulation model of the method is built. Current signal conditioning circuit as well as PLL along with frequency multiplier circuit are designed, experiment system is set up.Simulation and experiment research are done on ip-iq harmonic detection method .Simulation and experiment results show that ip-iq harmonic diction method can accurately accomplish the harmonic detection in one cycle. This can afford the theoretical and experimental proof for studing active power filter. Keywords instantaneous reactive power theory, ip-iq, harmonic 1.引言 随着现代工业和科学技术的发展,电力电子装置 被广泛应用,在为人类创造物质文明的同时也导致大 量谐波注入电网,使电网电压和电流波形发生畸变, 电能质量日益下降[1]。使用无源滤波装置来解决无功 和谐波问题是一种传统的解决方案,但存在许多缺点, 为此有源电力滤波器 (Active Power Filter, APF)应运 而生[2]。这种装置通过向电网注入与原有谐波和无功 电流大小相等方向相反的补偿电流,使电网的总谐波 和无功电流为零,从而达到净化电网的目的,因而受 到广泛的应用[3]。 对于有源电力滤波器而言,实时准确地检测出谐 波电流是非常关键的,它直接决定了装置的整体滤波 性能。目前应用最为广泛的检测方法是基于瞬时无功 提出以来,首先在谐波和无功电流实时检测方面得到 了成功应用[5]。以该理论为基础,计算ip、iq为出发点 可以得出三相电路谐波电流检测方法,称之为i p -i q 检 测法。根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流 ip和瞬时无功电流iq的表达式为 i p iq    =  sin ωt − cosωt − − cos ωt sin ωt  iα   iβ    = CC32 ia ib ic     (1)  sin ωt − cosωt 式中 C = − cosωt − sin ωt   ,由此可得出i p -i q 检测法 原理如图 1 所示。 ea PLL sin -cos 功率理论的i p -i q 法。该方法采用内部的参考正余弦信 号,没有直接使用系统电压信息参与运算,不受电网 电压畸变或不对称的影响,因此检测的结果更准确[4]。 本文在阐述i p -i q 谐波检测法的原理基础上建立了 该算法的仿真模型,并构建了相应的实验系统,设计 了电流信号调理电路和锁相环及倍频电路等硬件电 ia ib ib ip C32 iβ Ip C iq LPF i p C-1 LPF iq iaf iah C32 ibf icf ich 图 1 ip-iq 检测法原理图 路。从仿真和实验研究两方面验证该算法的合理性与 准确性。 2. ip-iq谐波检测法的原理 三相瞬时无功功率理论自 1983 年由赤木论泰文 该方法中,需用到与A相电网电压ea同相位的正弦 信号sinωt和对应的余弦-cosωt,它们由一个锁相环和 一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算 出ip、iq,经低通滤波器滤波得出ip、iq的直流分量 i p 、 iq 。这里,i p 、iq 是由iaf、ibf、icf产生的,因此由 i p 、 iq 即可计算出iaf、ibf、icf为 iaf ibf icf     = C23C−1 i  p iq    (2) 将i a 、i b 、i c 与i af 、i bf 、i cf 相减,进而计算出i a 、i b 、 ic的谐波分量iah、ibh、ich 3. 仿真及实验系统设计 3.1 仿真模型的建立 为了验证i p -i q 检测法的可行性和准确性,我们首 先从仿真的角度出发,建立了如图 2 所示的仿真模型, 实现了ip-iq算法的功能,并在Matlab/Simulink环境下对 其进行仿真,主要包括C32、C计算模块、低通滤波器 模块以及反变换C-1、C23 模块。 1 输入 正弦 ia i1 ib ic i2 3-2 变换 余弦 sin ip Fo= 30Hz N= 2 sin i1* i1 低通滤波器 ip i2 iq -cos Fo= 30Hz N= 2 iq i2* -cos C 变换 低通滤波器 1 C-1 反变换 ia* i1* ib* i2* ic* 2-3 反变换 1 输出 图 2 检测电路仿真模型 3.2 实验系统的设计 电压和电流检测电路、锁相环及倍频电路组成。主要 根据理论和仿真分析,为了进一步从实际的角度 的目的在于实现三相电路中谐波电流信号的实时检 验证ip-iq检测法的可行性,我们构建了如图 3 所示的 测。 实验系统,本实验系统由电流霍尔传感器、主控芯片、 三相调压器 三 T1 ia L1 相 电 源 ib L1 ic L1 三相 桥式 负 可控 载 整流 电路 霍尔电压 传感器 霍尔电流 传感器 1 霍尔电流 传感器 2 电压过零 检测电路 锁相及倍 频电路 i af 电流显示 ibf i cf iah ibh ich 信号调理 1 信号调理 2 信号采集及 检测电路 ea i a i b ip-iq 法 负载 电压 控制 TMS320F2812 驱动电路 负载电压 检测电路 负载电压给定 图 3 实验系统总体框图 3.2.1 电流信号调理电路 为了安全、正确、可靠地对测量电流进行采样,要通 经霍尔电流传感器变换得到的负载电流信号是一 过运放电路将信号从双极性变换到单极性、限幅电路 个交变的信号,而 DSP 片内的 A/D 是单极性的(0-3V), 后才可以直接引入到 DSP 中。为了确保最终送入 DSP 的信号范围在 0-3V 之间,通过两个二极管将信号分别 接至 0V 与+3.3V。具体实现电路见下图 4 所示。 +3V R14 R17 +3.3V -5V R19 4 D3 4 ia R12 R15 C8 2 3 U3A 1 R18 2 U3A 1 R20 AD R11 LF353 3 LF353 8 8 D4 +5V 3.2.2 锁相环及倍频电路 电压检测的目的就是要通过对电压的检测得到 sin ωt 的值,A 相电压经过过零检测电路转换成方波 信号。通过方波信号可以测出 A 相电网电压的频率 ω , 但是电网频率是不断变化的,也就是 sin ωt 是随时间 变化的,所以只知道 ω 是不够的。并且由于在软件编 程中使用的是查表方式,即在程序中将 sin ωt 的值作 成表,通过查表的方法得到每一采样点 sin ωt 的值, 但需要正弦表的准确定位和复位。使用锁相环及倍频 电路可以很好解决上述两个问题。锁相环及倍频电路 可以将 A 相电压信号 128 倍频,倍频后的信号接入 DSP 的 CAP 捕捉引脚,在中断程序中进行查表,从而 实现了正弦表的准确定位。 本文采用锁相环芯片 CD4046 和 12 位二进制计数 器 CD4040 来实现对工频方波的倍频,电路如图 5 所 示,C1,R1,C2,R2 一起组成外部振荡电路,CD4046 的输出作为 CD4040 的输入,通过 CD4040 的 7 分频, 反馈给 CD4046,当锁相完成后,CDC4046 第 4 的输 出信号频率为第 14 脚输入信号频率的 128 倍,即实现 了倍频功能。 +5V R3 R1 C2 CD4046 CD4040 16 15 VCC PHASE 15 2 1 2 16 Vcc 14 13 SIGNin COMPin PC2 VCOout 3 4 CAP 10 CLK 12 11 12 R1 INH C1A 5 C1 6 10 9 10 VCOin C1B Vss 7 8 8 Vss Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 Q11 Q12 9 7 6 5 3 2 4 13 12 14 15 1 11 RST R2 图 5 锁相环及倍频电路 根据实验系统框图和所设计的相应硬件电路,我 们搭建了如图 6 的谐波检测实验系统。实验中主要用 到±15V 及±5V 开关电源、万用表、TDS510 仿真器、 TMS320F2812DSP 最小系统开发板、PC 机等实验工 具。实验的波形可通过 DSP 仿真器在 Code Composer Studio 利用 Graph 功能观测得到。 图 6 实验系统实物图 4. 仿真及实验结果分析 基于仿真分析的波形如图 7 所示,由于三相对称, 因此只给出 A 相负载电流波形和谐波电流频谱分析波 形。 20 负 电载网电电流流/A /A 10 0 -10 -20 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 Fundamental (50Hz时)时= 间间14/s./6s8 , THD= 25.34% Fundamental(50Hz)=14.68,THD=25.34% 20 谐谐波波含含量量% /% 15 10 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 谐谐波波次次数/数n /n 图 7 A 相电网电流波形及频谱分析 由图 7 可看出,负载电流已经发生了畸变,通过 频谱分析得出 A 相负载电流的总谐波畸变率 THD=25.34%,其中各次谐波含量见表 1。 谐波次数 表 1 负载电流各次谐波电流含量 5次 7次 11 次 谐波含量(%) 1.03 0.28 0.17 谐波次数 13 次 17 次 19 次 谐波含量(%) 0.20 0.14 0.14 在仿真后,我们又进行了实验研究,对三相对称 电路中谐波电流信号进行实时检测,检测出的 A 相负 载电流如图 8 所示。图中采集到的信号为正值,而实 际的电流信号应该是关于横坐标对称的,这是因为电 流信号经过了电流传感器、信号调理电路之后,送入 ADC 模块的信号为变换范围在 0-3V 之间的信号。 图 8 Graph 观测的 A 相负载电流波形 经过瞬时无功功率理论的i p -i q 法由DSP计算得到 的谐波电流波形如图 9 所示。 [3] Eid, El-Kishky, Abdel-Salam. Power Quality of Variable-Speed Constant-Frequency Aircraft Electric Power Systems[J]. IEEE Transactions On Power Delivery, 2010 25(1): 55-65 [4] An Luo, Wei Zhao, Xia Deng. Dividing Frequency Control of Hybrid Active Power Filter With Multi-Injection Branches Using Improved ip-iq Algorithm[J]. IEEE Power Electronics Society, 2009 24(10): 2396-2405 [5] AKAGI H. Trends in active power line conditioners[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 9(3): 263-268 作者简介: 赵梦莹(1985-),女,硕士研究生,从事有源电 力滤波器方面的研究。 李文娟(1968-),女,教授,博士,从事有源电 力滤波器、自动控制系统、汽车电子、像质评价方面 的研究。 图 9 Graph 观测的谐波电流波形 由图 7、8、9 可以看出不论是在仿真还是在实验 中,基于三相瞬时无功功率理论的i p -i q 检测法,在不 到一个周期即可较好的完成系统谐波的检测,能够满 足并联有源电力滤波器对谐波检测的要求。 5 结论 本文在阐述i p -i q 谐波检测法原理的基础上,搭建 了谐波检测实验的仿真模型,对非线性负载三相对称 电路的谐波检测进行了仿真。在仿真的基础上,确定 了实验系统的总体框图,设计了电流信号调理电路和 锁相环及倍频电路等硬件电路,搭建了实验系统,并 进行了相关的实验。对检测出的负载电流和谐波电流 进行观察。仿真和实验结果均表明i p -i q 谐波电流检测 法可以在一个周期可以实时的准确的完成系统谐波的 检测,证明了该算法的正确性和可行性。从而为有源 电力滤波器的研究和其它谐波分析提供了理论和实验 依据。 参考文献 [1] Dai Wenjin, Lin Qingsheng. Research on Harmonics Suppression and Reactive Power Compensation for Power System[J].Intelligent Information Technology Technology Application, 2009, 11(3): 110-112 [2] 陈庆国,赵春明。 三相四线制并联型电力有源滤波器的 算法和参数仿真[J].电机与控制学报,2009, 13(1): 20-24 ip-iq谐波检测法的仿真及实验研究 作者: 作者单位: 赵梦莹, 李文娟 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨 150080 本文读者也读过(10条) 1. 张立娟.王雪丹.ZHANG Li-juan.WANG Xue-dan 有源电力滤波器的设计[期刊论文]-煤炭技术2009,28(4) 2. 刘金泉.陈兆岭.刘国海.刘慧.LIU Jin-quan.CHEN Zhao-ling.LIU Guo-hai.LIU Hui 一种改进ip-iq谐波电流检测算法[期刊论文]-电 测与仪表2011,48(5) 3. 武小红 基于小波变换的农村电网谐波检测[期刊论文]-中国农村水利水电2007(2) 4. WANG Junping.YANG Jianbo.ZUH Huixia A Two-warehouse Inventory Model for Newsvendor-type Products with Two Ordering Opportunities[会议论文]-2010 5. 李敏.武小红.郭先定 基于小波多分辨率分析的电网谐波检测法[期刊论文]-电气应用2006,25(1) 6. 赵晓.付青.ZHAO Xiao.FU Qing 基于瞬时无功理论的谐波检测方法研究[期刊论文]-现代电子技术2006,29(6) 7. 陈毅东.杨育林.王立乔.万承宽.贾志云.刘旭阳 带减速齿轮箱的风机特性模拟实验平台的研究[会议论文]-2010 8. 李文娟.黄玉龙 改进的ip-iq谐波电流检测法及实验系统的实现[会议论文]-2010 9. WANG Meng.DAI Yaping.LIU Yan A High-level Image Sequence Fusion Algorithm for Human Detection[会议论文]-2010 10. 李金刚.孙方 一种实现低压大电流变换器的电路拓扑特性的仿真研究[会议论文]-2010 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7363002.aspx

Top_arrow
回到顶部
EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。