CN107632200B - 基于离散傅里叶变换的谐波检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其包括基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其特征在于，包括在设定周期内采集下，采集电网侧的三相电流，并对采集的三相电流做离散处理；构建三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的计算模型；通过滑窗迭代方法对采集电网侧的三相电流进行离散傅里叶变换正变换，分别得到三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值；采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量；根据采集的三相电流及基波有功电流正序分量，计算检测的三相谐波电流。

Description

基于离散傅里叶变换的谐波检测方法
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，具体涉及一种基于离散傅里叶变换的谐波检测方法。
背景技术
在并联型有源电力滤波系统(APF)的设计中，需要对电网侧电流进行补偿，实现功率因数的校正，通常的做法是检测网侧电流基波分量，再将网侧电流与基波电流相减，得到谐波电流量作为电流指令信号产生PWM开关信号。在实际的工程研制中谐波检测技术是解决问题的关键。
目前传统的谐波检测方法(ip-iq法)是建立在瞬时无功理论基础上，采样三相网侧电流ia、ib、ic，通过park变换得到有功电流分量ip和无功电流分量iq，设计两个数字低通滤波环节(LPF)，得到其直流分量。再通过2r-3s反变换得到网侧电流基波分量iaf、ibf、icf，最后与采样值做差得到三相谐波电流。
该方法控制原理简单明了，但谐波检测效果与LPF性能有直接关系。LPF截止频率越低，谐波检测精度越高，但动态响应特性过慢；LPF截止频率过高，对低次谐波检测效果变差，又会影响谐波检测精度，且该方法还无法实现单次谐波的检测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种快速、准确检测谐波的基于离散傅里叶变换的谐波检测方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其包括：
在设定周期内采集下，采集电网侧的三相电流，并对采集的三相电流做离散处理；三相电流分别为a相采集电流、b相采集电流和c相采集电流；
构建三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的计算模型：
Figure BDA0001395558710000021
其中，XA为采样电流的基波有功电流幅值；XB为采样电流的基波无功电流幅值；n为采样点的序号；N为一个采样周期内的采样点个数；i为采样电流；
通过滑窗迭代方法对采集电网侧的三相电流进行离散傅里叶变换正变换，分别得到三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值：
当采样点的个数小于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure BDA0001395558710000022
当采样点的个数大于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure BDA0001395558710000023
采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量：
Figure BDA0001395558710000024
其中，iA为a相基波有功电流正序分量；iB为b相基波有功电流正序分量；iC为c相基波有功电流正序分量；XaA为a相电流的有功幅值；XaB为a相电流的无功幅值；XbA为b相电流的有功幅值；XbB为b相电流的无功幅值；XcA为c相电流的有功幅值；XcB为c相电流的无功幅值；
根据采集的三相电流及基波有功电流正序分量，计算检测的三相谐波电流：
Figure BDA0001395558710000031
其中，iah为a相的谐波电流；ibh为b相的谐波电流；ich为c相的谐波电流；ia为a相采集电流；ib为b相采集电流；ic为c相采集电流。
本发明的有益效果为：本方案在负载发生变化后的第一个周期内和一个周期后采用不同的方式进行三相电流基波无功电流幅值，通过这种方式再结合基波有功电流正序分量算例求解出的谐波电流，能够在一个采样周期内将电网侧的三相电流调整至稳定状态。
本方案在进行谐波电流计算过程中每一步迭代的乘法因子都是常数，同时无需重构锁相环，因此运算量大大减少，从而大幅度提高了系统的相应速率，该方法适用于并联型有源电力滤波系统的谐波电流检测时，可以实现快速响应，并且改善THD(谐波失真)指标，从而实现指定次数谐波的补偿。
采用本方法能实现快速准确地完成谐波电流的检测，计算量小，抗干扰能力强，易于工程应用实现，其能够保证检测速度的同时保证检测精度。
附图说明
图1为基于离散傅里叶变换的谐波检测方法的流程图。
图2为滑窗迭代DFT算法原理图。
图3为现有技术的方法与本方案的方法进行谐波检测时的响应能力对比图。
图4为三相四线的APF的系统模型的a相仿真波形图。
图5为三相四线的APF的系统模型补偿后的三相电流波形图。
图6a为补偿前的谐波失真的仿真图。
图6b为补偿后的谐波失真的仿真图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于离散傅里叶变换的谐波检测方法的流程图；如图1所示，该谐波检测方法100包括步骤101至步骤105。
在步骤101中，在设定周期内采集下，采集三相四线制并联型有源电力滤波系统电网侧的三相电流，并采用AD芯片对对采集的三相电流做做离散处理；其中，三相电流分别为a相采集电流、b相采集电流和c相采集电流。
在步骤102中，构建三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的计算模型：
Figure BDA0001395558710000041
其中，XA为采样电流的基波有功电流幅值；XB为采样电流的基波无功电流幅值；n为采样点的序号；N为一个采样周期内的采样点个数；i为采样电流；
在步骤103中，通过滑窗迭代方法(参考图2)对采集电网侧的三相电流进行离散傅里叶变换正变换，分别得到三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值：
当采样点的个数小于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure BDA0001395558710000051
当采样点的个数大于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure BDA0001395558710000052
在步骤104中，采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量：
Figure BDA0001395558710000053
其中，iA为a相基波有功电流正序分量；iB为b相基波有功电流正序分量；iC为c相基波有功电流正序分量；XaA为a相电流的有功幅值；XaB为a相电流的无功幅值；XbA为b相电流的有功幅值；XbB为b相电流的无功幅值；XcA为c相电流的有功幅值；XcB为c相电流的无功幅值。
在本发明的一个实施例中，采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量进一步包括：
计算三相电流的正序分量：
Figure BDA0001395558710000054
其中，ia+为a相的正序分量；ib+为a相的正序分量；ic+为a相的正序分量；j为虚部符号；α为旋转因子；
Figure BDA0001395558710000055
1+α+α2＝0；
提取三相电流正序分量的实部，舍掉虚部得到三相电流的基波有功电流正序分量。
在步骤105中，根据采集的三相电流及基波有功电流正序分量，计算检测的三相谐波电流：
Figure BDA0001395558710000061
其中，iah为a相的谐波电流；ibh为b相的谐波电流；ich为c相的谐波电流；ia为a相采集电流；ib为b相采集电流；ic为c相采集电流。
下面结合具体的实例，对本方案的谐波检测方法的效果进行仿真：
设定采样频率6.4K，待采样的电流信号包含5次、7次谐波，并且幅值与相位偏移均不同，采用Matlab Simulink仿真平台采用现有技术的ip-iq法和本方案的谐波检测方法进行仿真，两种谐波检测方式的响应能力如图3所示，由图3可知，本方案在0s和0.2s出现负载变换时，本方案在一个周期后电流就趋于稳定，而现有技术需要3个周期的时间才能使电流趋于稳定，由此可见采用本方案进行谐波检测能够大幅度提高相应速度。
随后搭建三相四线的APF的系统模型，仿真参数设置如下：
电网侧220V/50Hz三相交流电；负载侧经过不可控整流桥接阻感负载，R＝10Ω，L＝2mH；逆变电路输出滤波电感La＝Lb＝Lc＝1mH；直流侧储能电容C1＝C2＝20000uH，采样频率设置为24kHz，一个周期有480个采样点，仿真时间设置为1s。系统稳定运行，并且保持了较好的补偿电流跟踪特性。使用本方案的谐波检测方法实现了系统的控制，仿真结构如图4至图6b。
通过仿真波形可以看出，本方案的谐波检测方法的检测效果可以满足IEEE929-2000的标准。

Claims (3)

1.基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其特征在于，包括：
在设定周期内，采集电网侧的三相电流，并对采集的三相电流做离散处理；三相电流分别为a相采集电流、b相采集电流和c相采集电流；
构建三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的计算模型：
Figure FDA0002238172090000011
其中，XA为采样电流的基波有功电流幅值；XB为采样电流的基波无功电流幅值；n为采样点的序号；N为一个采样周期内的采样点个数；i为采样电流；
通过滑窗迭代方法对采集电网侧的三相电流进行离散傅里叶变换正变换，分别得到三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值：
当采样点的个数小于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure FDA0002238172090000012
当采样点的个数大于采样周期内的采样点个数时，三相电流的基波有功电流幅值和基波无功电流幅值的迭代公式：
Figure FDA0002238172090000013
采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量：
Figure FDA0002238172090000014
其中，iA为a相基波有功电流正序分量；iB为b相基波有功电流正序分量；iC为c相基波有功电流正序分量；XaA为a相电流的有功幅值；XaB为a相电流的无功幅值；XbA为b相电流的有功幅值；XbB为b相电流的无功幅值；XcA为c相电流的有功幅值；XcB为c相电流的无功幅值；
根据采集的三相电流及基波有功电流正序分量，计算检测的三相谐波电流：
Figure FDA0002238172090000021
其中，iah为a相的谐波电流；ibh为b相的谐波电流；ich为c相的谐波电流；ia为a相采集电流；ib为b相采集电流；ic为c相采集电流。
2.根据权利要求1所述的基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其特征在于，采用坐标变换计算三相电流的基波有功电流正序分量进一步包括：
计算三相电流的正序分量：
Figure FDA0002238172090000022
其中，ia+为a相的正序分量；ib+为a相的正序分量；ic+为a相的正序分量；j为虚部符号；α为旋转因子；
Figure FDA0002238172090000023
1+α+α2＝0；
提取三相电流正序分量的实部，舍掉虚部得到三相电流的基波有功电流正序分量。
3.根据权利要求1所述的基于离散傅里叶变换的谐波检测方法，其特征在于，在设定周期内采集下，采集三相四线制并联型有源电力滤波系统中电网侧的三相电流。
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