梁红亮
东莞市东江水务有限公司 广东东莞 523000
摘要：该次研究在输入观测器理论基础上，给出一种能够在线电流谐波检测手段，可以在非常短的时间内测出信号内不同频率分量。经过分解，未知的电流信号变成有限傅里叶级数的形式，把等待检测的电流置入一个动态化的积分过程当中，把此信号与不同频率的分量用作新型的状态量，建立起时变的状态空间模型。精确无误地测得电流内未知状态量。以Imalle不变集原理、Lyapunov定理作为指导，分析且论证了观测器具体的稳定性与收敛性。
关键词：输入观测器；电流谐波；检测
因为非线性负载被普遍应用（如变频器、臭氧发生器等），带给电网非常严重的谐波污染。谐波污染损坏了各种电网用电设备，同时带来不同类型的保护误动问题。电力系统中谐波分量能够迅速进行检测，管理电能质量，在抑制与补偿和谐波方面有着重要作用。在谐波检测上，国外对基波检测进行了诸多检测，给予了较多手段[1]。频域谐波检测方法一般有滤波器法及在小波变换基础上形成的检测方法。其还涵盖变步长的自适应检测、BP神经网络等诸多智能检测算法。
1.基于观测器的谐波检测的实现
基于观测器的谐波检测算法的具体步骤如下：
①对电流、电网电压信号的收集。收集并整理被测电流信号，送至积分过程，组成动态系统。将电网电压信号采集进来，规划交流过零检测电路。先将采集而来的电网电压信号指令给传感器，在比较器协助下，与一个周期的电网电压相匹配，占空比一半的方波，输送至控制芯片，获得方波的上升沿，继而明确此周期的角频率，将积累而来的误差给消除掉。
②电网当中电流频率处于变化当中，为确保算法中的频率信息保持与被测电流的相符，应进行迭代计算。因为频率变化是非常慢的，所以，运用上一个工频周期末测算获得的角频率应用到该周期当中，实施相位的累加，保持算法中频率和被测信号频率接近。而因为必然存在误差，于相位累加时，会积累误差，为防止此种情况的发生，于各测得的上升沿，将累计误差给消除掉，也即于各工频周期结尾，将相位误差给清零。
③计算误差元 （K+1），如果相对误差接近1%，通常认为，误差完成收敛，状态估计值 与系统真实状态比较接近，得到参数 的值，经过计算，得出k时刻不同频率分量。进行有关计算，得出基波与各谐波的幅值与相位。当相对误差达不到要求之后，观测器进行接下来的迭代。
2.谐波检测法特性
分析诸多电网谐波频谱能够获知，谐波分量一般在非常低的的频率上出现较多。模拟了被测电流中5频次、7频次、11频次、13频次的谐波，同时进行了实验分析。
2.1仿真数据的验证
针对观测器算法对谐波的检测效果，进行验证，并做出验证，将Matlab/Simulink仿真软件应用到算法仿真当中，做出分析及研究。整体电路是非常容易看到的谐波源。在仿真当中，检测对象选取A相电流，通过电流传感器的使用，将电流信号采集进来，至调理电路，在运用电压传感器下，把相间电压收集进来，送到过零检测电路，获得频率信息，以上两部分信号用作输入，实施谐波检测。
表1：仿真模型参数
2.1.1负载变动时的动态特性
为分析此种方法的抗干扰性能，将白噪声添加到被测电流信号内。特别是白噪声方差为0.01A。且在仿真内对负载突变状况实施模拟，0.015s时，如果负载电阻由5Ω经过变化，至10Ωn，减少了50%的被测电流幅值。
在观测器的不同频次谐波分量参数 收敛过程中，噪声并不会影响到参数的收敛，可以于1个工频周期范围中回归到稳定状态。0.15s负载突变过程当中，可以在非常短的时间内收敛至新的数值。
在观测器基础上形成的谐波检测方法，避免了瞬时无功功率仅对总谐波电流进行检测的束缚，能够在相同时间内检测出不同指定频次的谐波分量。因为仿真运用了三相对称电路，所以，电流谐波排除了偶次项，同时3倍数谐波具有非常小的数值。0.15s负载突变过程中，检测获得的不同频率的电流可以非常平稳地达至新的状态。
将白噪声添加到被测电流内，观测器可以在非常短的时间内测出不同频率的电流，由此可见，此种方法具有非常不错的抗干扰能力。
当负载马上发生变化时，检测而得到的基波与谐波电流缓慢改变，，无突出的过冲，表现出非常不错的动态跟踪特性。可以于1个电网周期内对基波实施追踪，延时较小，接近0.01s，表现出非常不错的实时性。但在解决此类问题时，神经网络自适应预测算法的应用，谐波检测的响应速度0.015s，Ip.Iq算法的应用，进行谐波检测的响应速度0.025s，从中可见，针对负载电流产生的改变，观测器方法能够在较短时间内予以响应。
2.1.2跟踪误差的分析
仿真电流和观测电流二者的差值便是误差电流。应注意的是，该“仿真电流”，即Simulink模型在仿真运算过程中电网侧的电流，也就是应实施谐波检测的电流；此“观测电流”使用了该方法检测基波、3次谐波、5次谐波、7次谐波、9次谐波、11次谐波、13次谐波，经过累加，加到一起，重新建立起来的电流，由于为观测器检测而来，为此，被简单称作“观测电流”[2]。仿真电流与观测电流的差值便是误差电流。由此不难看到经过短时间的振荡，观测电流可以在非常短的时间内追踪上仿真电流。误差电流变化区间在0.1左右。分析不同频次谐波分量参数的收敛流程。在不超出观测电流一个周期范围内，参数便可收敛。
2.1.3准确性的分析
为检验此种方法在检测不同频次谐波值的准确情况，把研究中检测方法与FFt算法进行对比分析，，和FFT算法获得的谐波分量做出比较，该方法的相对误差在0.8%以内，从中可以看出，观测器算法可以准确无误地测算出电流内的基波与谐波分量。
2.2实验数据的验证
该研究中建立了1个负载为三相不控整流器的实验载体。实验条件：运用调压器调压，将三相不控整流器输进端线，电压有效值与电压源频率分别为10V、50Hz。实验参数：电感L1是6mH、L2是6mH、L3是6mH，负载电阻500W/5n，NICompactRIO－9073设备频率20kHz，将其用于采样与测算信号。
表2：FFT方法和观测器方法比较(仿真)
运用FTT算法与观测器方法，比较及分析实验负载电流的检测结果，每个次谐波分量相对误差在1.5%以内。应当注意的是，FTT分析结果运用了NI的CompactRIO，将实验的网侧电流整理到一起，接着置入FFTAnalysis模块当中，经过分析获得。于0.3s时，设置负载R产生了突变，电阻值5n，经过突变，变为电阻值10n，实验负载电流产生具体的突变。如果被测电流出现突变，观测的不同频次谐波分量数值在较短的时间内收敛，稳定至新的数值，表现出非常不错的鲁棒性。
3.结论
在该次研究当中，在输入观测器理论基础上形成的电流谐波检测方法。此种方法使被测电流通过1个积分流程，形成了1个状态量，同时把基波与各次谐波分量用作新型的状态量，在使用设计观测器之下，对它做出观测，同时在Lasalle不变集原理与Lyapunov定理引导下，分析及研究了观测器的稳定性与收敛性[2]。
该研究在之前基波提取方法基础上，不断拓宽应用范围，电路拓扑不会对其造成影响，能够被三相对称电路所使用，且能提取与不对称电路的电流谐波；和以往瞬时无功功率比起来，能对总谐波电流、各频次谐波分量等实施检测；和FFT方法比起来，可以无误地测得谐波；和Ip．Iq算法比起来，如果负载电流出现突变时，该方法应用下，谐波参数能够在非常短的时间内收敛，表现出良好的动态跟踪性；此外，此方法的使用，可较好地抵抗噪音。仿真与实验结果证明了上述了特点。分析及探究该方法用于APF中的谐波检测中，变成数字化的APF控制器，这是之后的探讨趋向。
参考文献：
[1]张怡茹.基于观测器理论的选次谐波检测与补偿[D].厦门大学,2016.
[2]余发山,王要东,刘倩,等.电网输电过程谐波电流检测方法研究[J].计算机仿真,2016,33(2):153-157.
[3]李钷,张怡茹.基于输入观测器理论的电流谐波检测方法[J].电工技术学报,2016,31(7):136-144.
论文作者:梁红亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/15
标签：谐波论文; 电流论文; 观测器论文; 误差论文; 负载论文; 频次论文; 基波论文; 《防护工程》2018年第11期论文;