收稿日期:2010-12-18
基金项目:国家自然科学基金(50677058
)通讯作者:刘桂英(1964-),女,副教授,主要从事电能质量监控、谐波抑制及无功补偿等方面的研究;E-mail:liugui-ying
@163.com第26卷第1期2011年3月
电力科学与技术学报
JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND 
TECHNOLOGYVol.26No.1Mar.2011 
谐波实时检测的正余弦代数变换新方法
曾志辉1,温志峰1,刘承员2,刘桂英3
(1.惠州市鸿业电力有限公司,广东惠州 516008;2.
惠州市新科创工程建设监理有限公司,广东惠州 516008;3.长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙 410004
)摘 要:谐波瞬时值的快速、精确、实时检测是有源电力滤波器高性能工作的基础.提出一种基于正余弦代数变换
的谐波信号实时检测新方法,详细阐述正余弦代数变换的基本思想及特定次谐波和总谐波瞬时值的检测技术,仿真分析结果验证了该方法的有效性.
关 键 词:谐波;实时检测;代数变换;正弦;余弦
中图分类号:TM711;TM76;TM761   文献标识码:A   文章编号:1673-9140(2011)01-0092-
07A new real-time detection method for p
ower system harmonicsbased on alg
ebraic transformation of sine and cosineZENG Zhi-hui 1,WEN Zhi-feng 1,
LIU Cheng-yuan2,LIU Gui-ying3
(1.Hongy
e Electric Power Co.Ltd.of Huizhou,Huizhou 516008,China;2.Xingkechuang Engineering 
Construction Supervision Co.Ltd.of Huizhou,Huizhou 516008,China;3.School of Electrical and Information Engineering,Changsha University 
of Science and Technology,Changsha 410004,China)Abstract:The rapid,accurate and real-time detection of harmonic instantaneous values is thefoundation of active power filter operation with high performance.This paper proposes a new re-al-time detection method for power system harmonics based on algebraic transformation of multi-frequency sine and cosine,and exp
ounds the basic theory of the algebraic transformation andtechniques to detect the instantaneous values of the random harmonics and the total harmonic.Simulation results show the validity 
of the proposed method.Key words:harmonics;real-time detection;algebraic transformation;sine;cosine  随着电力电子装置特别是大容量变流设备的广泛使用,谐波对电力系统的污染也日趋严重,对电力系统安全、经济和高电能质量运行造成很大影响和危害.为了有效地消除电力系统谐波,近年来发展了综合性能优于由电感(L)、电容(C)构成的传统无源电力滤波器的有源电力滤波器(active power filter,APF).有源电力滤波器借助适当的控制技术,能够对各次谐波进行有效补偿,且不受系统参数影响,因
而成为电力系统谐波治理的主要研究方向.有源电力滤波器在工作过程中需要时刻跟踪电力系统谐波的实时值,因此,如何高速、精确、可靠地检测出电力系统谐波瞬时值,成为提高有源电力滤波器工作性能的重要基础[1-3].因而,发展有效、高速、精确、可靠和简单实用的电力系统谐波检测方法一直是研究人员研究的方向.目前,电网电力系统谐波检测方法大致可分为5类.
1)基于傅立叶级数的实时检测法[4-6].该方法是目前得到最广泛工程应用的谐波检测方法,能有效地检测出电力系统基波和谐波的有效值,然后根据有效值重构基波和谐波的实时信号.但该方法算法复杂,实时性较差.
2)模拟式或数字式带通滤波法[7].该方法能直接快速地检测出电力系统基波和谐波的瞬时值,但是需要多次使用带通滤波器,线路实现复杂,存在较大的原理误差,检测精度低,模拟式带通滤波器受环境影响大.
3)神经网络法[8-10].该方法使用训练好的神经网络可以迅速地检测出电力系统基波和谐波的瞬时值,检测精度和实时性可以做到优于模拟式或数字式带通滤波法,但如何训练出高效的神经网络是一个复杂而困难的工作,需要大量的有效训练样本以及高效的训练算法和合适网络结构,在工程应用中尚不理想,还需要继续研究完善.
4)小波变换法[11-13].该方法和数字式带通滤波法一样能直接快速地检测出电力系统基波和谐波的瞬时值,但检测平稳谐波的检测精度和实时性并不优于数字式带通滤波法,其优越性体现在检测快速变化的平稳谐波方面.
5)基于瞬时无功功率理论的实时检测法[14-17].该方法是近十几年发展起来的适用于三相三线制有源电力滤波器的谐波检测方法,它采用坐标变换实现三相线路谐波电流的检测,线路实现简单、
实时性强.但它仅能检测出电力系统总谐波,并且在电网电压有畸变时,检测精度受到较大的影响.为了解决三相三线制有源电力滤波器的谐波检测问题,近年在传统瞬时无功功率理论基础上发展了广义瞬时无功功率理论[18],但也只能检测电力系统总谐波,没有解决好电力系统特定谐波检测问题.基于此,笔者提出的一种基于正余弦代数变换
的谐波信号实时检测新方法,可在电力系统电压畸变的情况下,迅速、准确地检测出电力系统各相电流和电压的基波和任意次数谐波和总谐波.
1 正余弦代数变换理论
1.1 正余弦代数变换的定义
设任意信号为x(t),令
Xs(kω)=x(t)sin kωt,(1)
Xc(kω)=x(t)cos kωt,(2)X(kω)=AXs(kω)+BXc(kω).(3)式(1)~(3)中 k,A,B∈R,R为实数域;ω为频率,其值为一般常数;k为倍频系数;X(kω)称正余弦代数变换;相应地,Xs(kω)称正弦代数变换;Xc(kω)称余弦代数变换.
1.2 任意周期信号的多频率正余弦代数变换特征分析
  设任意周期电压信号为
u=∑
#
m=1
(A
umsin mωt+Bumcos mωt
),
m=1,2,…,∞.(4)  首先考察式(4)的多频率正弦变换.对式(4)两边同乘以sin kωt(k=1,2,…,∞),可得
us(kω)=usin kωt=
#
m=1
(A
umsin mωt
·sin kωt+
Bumcos mωt·sin kωt)=
#
m=1
Aum
[-cos(m+k)ω 
t+cos(m-k)ω 
t]{+
Bum
[sin(m+k)ω 
t-sin(m-k)ω 
t})]=
Auk
(1-cos 2kωt)+Buk
sin 2kωt+∑
#
m=1,m≠k
Aum
[-cos(m+k)ω 
t+cos(m-k)ω 
{]+
Bum
[sin(m+k)ω 
t-sin(m-k)ω 
t})]=uAk+槇uAk.
(5)其中
uAk=
Auk
,(6)
槇u
Ak=-
Auk
cos 2kωt+
Buk
sin 2kωt+
第26卷第1期曾志辉,等:谐波实时检测的正余弦代数变换新方法 
正则化长波方程∑
#
m=1,m≠k
Aum
[-cos(m+k)ω t+cos(m-k)ω t{
]+Bum
[sin(m+k)ω t-sin(m-k)ω t}
)].(7)  考察式(
4)的多频率余弦变换.对式(4)两边同乘以cos kωt(k=1,2,…,∞)
,可得uc(
kω)=ucos kωt=∑#
m=1
Aum
sin mωt·cos kω
t+Bum
cos mωt·cos kωt)=∑#
m=1
Aum
[sin(m+k)ω t+sin(m-k)ω t{
]+Bum
[cos(m+k)ω t+cos(m-k)ω t}
)]=Auk2sin 2kω t+Buk
(cos 2kω
t+1)+∑
#
m=1,m≠k
Aum
[sin(m+k)ω t+sin(m-k)ω t]{
+Bum
[cos(m+k)ω t+cos(m-k)ω t}
)]=uBk+槇uBk.(8
)其中
uBk=
Buk
,(9
)槇uBk=
Auk2sin 2kωt+Buk
cos 2kωt+∑
#
m=1,m≠k
Aum
[sin(m+k)ω t+sin(m-k)ω t]{
+Bum
[cos(m+k)ω t+cos(m-k)ω t}
)].(10)1.3 任意周期信号的特定次谐波分量的重构
由式(1)、(3)、(6)和(9)可推导出任意周期信号的特定次谐波分量的重构信号:
uk=Auksin kωt+Buk
cos kωt=2uAksin kωt+2uBkcos kωt,k=1,2,…,∞.(11)1.4 非线性电压、
电流信号的分解根据傅里叶级数,任意非线性系统的电压、电流可以分别表示为
u=槡2∑#
m=1
Umsin(mωt+ψm)
=槡2∑#
m=1
Um[sin mωt·cosψ
m+cos mωt·sinψm]=∑#
m=1
Aum
sin mωt+Bumcos mωt),(12
)i =槡2∑#
m=1
Imsin(mωt+φm)
=槡2∑#
m=1
Im[sin mωt·cosφ
m+cos mωt·sinφm]=∑#
m=1
Aim
sin mωt+Bimcos mωt).(13
)1.5 非线性电压、
电流的多频率正余弦代数变换根据任意周期信号的多频率正余弦代数变换公式,可得非线性系统电压、电流的多频率正余弦代数变换的矩阵形式:
usinu[]cos
=sin kωtcos kω
[]tu=uAk
u[]Bk
槇uAk槇u熿燀
燄燅Bk,(14)isini[]cos
=sin kω
tcos kω[]ti=iAk
[]Bk
+i~
Ak
i~
熿燀
燄燅Bk.(15)
1.6 非线性电压、
电流的特定次谐波分量的重构依据式(11)可知单相系统电压、电流的特定次谐波分量的重构信号为 
uk
i[]
=2
sin kωtsin kωtcos kωtcos kω[]
tuAkuBkiAki熿燀燄
Bk.
(16
2 三相电压、
电流谐波的实时检测2.1 特定次谐波的实时检测
依据多频率正余弦代数变换原理和信号重构原理,可以得到三相系统特定次谐波实时检测原理,如图1所示.图1中PLL环节为锁相环节,实现对系统电压进行功率频率检测,可以选择a,b,c相电压的任意一相电压,
通常优先选择a相电压,在a相失去电压时选择b相电压,在a,b相电压均失去时选择c相电压;k为放大器环节,对检测到的工频频率进行放大,放大倍数为正整数k;“×”为乘法器,“+”为加法器,“2”为2倍放大器环节;LPF为二阶Butter Worth数字低通滤波器,其截止频率小于50Hz,通常选择2Hz.
笔者采用Butter Worth数字低通滤波器,But-ter 
Worth数字低通滤波器的传递函数可以表示为H(z)=
B(z)
A(z)
=b0+b1z-
1+…+bn
z-n1+a1z-
1+…+an
z-n.(17
)式中 n为滤波器的阶数,n=1,2….
9电力科学与技术学报             2011年3月
图1 三相系统特定次谐波检测原框图
Figure 1 Original block diagram for specific sub-harmonic detection of three-phase system
  对于低通滤波器,截止频率越小,低频信号检测精度越高,但动态响应过程越慢;截止频率取得大,可以加快检测电路的动态响应时间,但增加高频信号衰减频宽,低频信号检测精度不好.因此,实际谐波电流检测电路中,截止频率既不能选得太小,也不能选得太大,在有源滤波器控制中的谐波实时检测电路中,要求有很高的动态响应.笔者针对在有源滤波器中的应用,通过理论分析和仿真比较,采用二阶Butterworth数字低通滤波器,设截止频率f=10Hz,b0=-0.441 908 2,b1=-0.803 816 4,b2=-0.397 908 2,a1=1.467 750,a2=0.693 375(n=2),能够实现理想的检测精度和动态响应.2.2 三相电压、电流的各次谐波和总谐波实时检测利用正余弦代数变换变换检测各次谐波及总谐波,图2给出了基波、各次谐波和总谐波的检测流程框图.该方法都只需要使用能够通过直流分量的低通滤波器(LPF).直流低通滤波器具有实现简单、检测精度高、时延小等诸多优点,这更突出了正余弦代数变换的优越性.由于巴特沃斯滤波器在线性相位衰减斜率和加载特性2个方面具有特性均衡的优点,采用数字低通滤波器时,动态响应过程比采用模拟低通滤波器实时性好,且检测的结果也更为准确
图2 各次谐波和总谐波瞬时值检测流程
Figure 2 Instantaneous values detection flow chart for all harmonics and total harmonic
  由检测原理可知,基于正余弦代数变换,可以快速、实时、无原理误差检测到基波、各次谐波和总谐波瞬时值.该方法特别适合数字式检测实现技术,此时可以通过求周期内的滑动平均值实现误差分离直流分量,从而具有很高的检测精度和实时性.3 仿真及其结果
为了验证所述方法的有效性,笔者在应用于有源电力滤波器之前,利用MATLAB进行详尽计算机仿真,限于篇幅,只给出谐波电流检测的部分仿真
第26卷第1期曾志辉,等:谐波实时检测的正余弦代数变换新方法 
结果.设三相非对称负载电流的波形如图3所示,使用正余弦代数变换方法检测到的2次、5次和总谐
波电流分别如图4~6所示.仿真结果说明正余弦代数变换能快速、精确检测特定次谐波和总谐波
图3 三相负载电流波形
Fig
ure 3 Three-phase load current wavefor
m图4 三相系统负载的2次谐波电流波形
Fig
ure 4 The 2nd harmonic current waveform forthree-phase sy
stem loa
d图5 三相系统负载的5次谐波电流波形Fig
ure 5 The fifth harmonic current waveformfor three-phase sy
stem load图6 三相系统负载的总谐波电流波形Fig
ure 6 The total harmonic current waveformfor three-phase sy
stem load6
9电力科学与技术学报             2011年3月

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