第２９卷第２期 ２０１１年ｏ３月 佳木斯大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２０１１ 文章编号：１００８—１４０２（２０１１）０２—０２０６—０４ 有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现① 梁秋艳， 陈思羽，周海波 （佳木斯大学机械工程学院．黑龙江佳木斯１５４００７） 摘要： 谐波电流检测的准确性是有源滤波器可靠运行的首要环节．在传统谐波检测算法的基 础上采用一种基于三相瞬时无功功率理论的改进的ｉ 一 。算法，并在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下进行 建模仿真．结果表明，该谐波电流检测算法能够及时、精确的检测到负载产生的谐波电流，从而使 控制装置产生的补偿电流能够精确得跟踪指令电流，最终达到精确补偿负载谐波的目的． 关键词： 有源滤波器；谐波电流检测；仿真 中图分类号：ＴＭ７１２ 文献标识码：Ａ ０ 引 言 有源滤波器能够对谐波电流进行高精度、准 确、实时的检测是对电力系统谐波进行补偿的首要 前提，因此，谐波电流检测是电力系统中谐波治理 技术的关键环节…．谐波电流检测的原理就是由 有源滤波器中应用最广泛的一种检测方法．用这种 方法检测谐波，除了通过低通滤波器的直流分量 外，其它都是瞬时值运算，所以响应速度很快，具有 良好的实时性－２］．以三相电路瞬时无功功率理论 为基础，计算Ｐ，ｑ或ｉｐ，ｉ 为出发点即可得出三相电 路谐波检测的两种方法，分别称之为Ｐ—ｑ运算方 法和ｉ。一ｉ 运算方法． １．１ 基于ｐ—ｇ运算方式的谐波电流检测 如图１所示为Ｐ—ｑ运算原理图，Ｐ—ｇ是基于 三相电路瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法， 此种方法适用于系统的三相电压不含谐波的情 况 引． 补偿对象的电流中提取出所需要补偿的谐波电流 参考值，控制系统根据此种参考值产生相应的脉 冲，控制有源电力滤波器逆变器主电路产生补偿电 流跟踪参考值，起到补偿的效果． １ 传统的谐波电流检测方法 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法是目前 根据图１计算Ｐ和ｑ可得： ＝ 三 ２ ２ ２ ｌ Ｉ ２ Ｊ （３） 式中 ＝［：： （２） ① 收稿日期：２０１１—０３—１４ 作者简介：梁秋艳（１９８１一），女，黑龙江佳木斯人，助教，主要研究方向为电力系统自动化 第２期 梁秋艳，等：有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现 ２０７ 有功和无功的直流分量再通过逆变换计算出负载 古 笔 １．２基于 一一’ 运算方式的谐波电流检测 一…一一……… 电流的基波分量ｉ。，ｔ‘ｂｆ，ｉ矿最后通过叠加原理，得到 ｒ ］ 一 一 ｃ １ ｃ ［ （４） 图２基于 一ｉ口运算原理图 ｓｉｎｗ ｔ二∞…ｓｉｎ ｗｔ￣嘲＝ ｓｉｎｔｏｔ —ｃｏｓｔｏｔ ｓｉｎ（∞ｔ— ２可）一ｃ。ｓ（ 一丁２仃） （６） ＝ ●● ¨ ｉ 的表达式为： ｓｓ ｉｎ（ｔｏｔ ＋ ＋ ２）．）一ｃ。ｓ（一ｃ。ｓ（ ＋了＋了丌）２丌） ｉｎｗ ｔ －ｃｏｓｃ ｏｔ］ 设ｉ ，ｉ ｉ 为各相总的谐波电流，则有： …ｎｉｄＪＩ＝ｉ 一 ，ｉ ＝ｉ６一 ，ｉ 一ｉ。一ｉｃ， （７） ｃ ： １奢 这即是补偿装置需要产生的补偿电流．当电网 电压对称且无畸变时， 一ｉ 算法可以迅速准确的 检测出电网中的谐波分量；当电网电压不对称或发 生畸变时，因为该算法没有直接使用系统的电压信 …ｓｉｎ（ｓ ｃ（ｏｔ… 一一 ２ 仃）…ｓ（ ＋ ２心 仃） 息，只借助于构想的正余弦函数来实现三相基波坐 标变换，因此可以得到补偿分量． ２ 改进的谐波电流检测方法 设 ， ，ｉｃ，分别为各自的基波电流， ， 为变 由上面对两种谐波检测法的分析可知，Ｐ—ｑ 换后的基波分量，则经反变换后，可得到计算基波 法仅适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电 分量的公式为： 流的检测，当电网电压发生失真时，根据公式计算 出的基波正序电流分量也将含有谐波，从而增大了 谐波检测的误差，检测结果的精度就会越差 Ｊ．ｉ 一ｉ 法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不 对称时也同样有效，但在检测谐波电流时，因被检 测对象中谐波的构成和采用滤波器的不同，使其在 ２０８ 佳木斯大学学报（自然科学版） ２０１１年 采样保持和信号处理等过程会产生不同的时间延 本文采用一种基于三相瞬时无功功率理论的 迟，这将使跟踪补偿电流的相位发生偏移 引．如果 改进 一ｉ 算法，针对 一ｉ 谐波检测方法的不足 不采取措施，有源电力滤波器的补偿效果会变差． 进行了补偿，原理图如下图３所示． 图３ 改进的检测算法原理图 图４ 谐波检测算法电路模型 改进的ｉ 一ｉ 谐波检测算法是在传统谐波检 相位的五倍基波频率的正弦信号ｓｉｎ５ｗｔ和余弦信 测算法基础上，对检测电网中的某次谐波外加一个 号ｃｏｓＳｔｏｔ，可得变换矩阵： 补偿角，以减少因控制算法、数模转换等原因所产 生的延迟．检测的谐波次数主要包括５次、７次和１１ Ｃｓ．，ｔ＝ｉ ｓｉｎ５ ￣ｏ ｔ －ｃｏｓ５ｔｏｔ］ （８） ｃ。５…ｎ…次．这几次谐波检测出来后，利用叠加原理，得到负 首先将口，ｂ，ｃ三相电流转换成 ， 两坐标系下 载的谐波电流，从而使检测的谐波电流被控制装置 的电流，则三相电流可以变换成 一／３坐标系中的 产生的补偿电流很好的跟踪． 向量，即： 在原理图３中， 代表口相电压信号，以５次谐 波检测为例，锁相环ＰＬＬ作用是产生与口相电压同 第２期 梁秋艳，等：有源滤波器的谐波检测算法及仿真实现 得到的即是５次谐波电流ｉ 曲，ｉ 从，ｉ ，然后再将频 ｃ 率分别换成７次、１ １次谐波电流，将所得各次谐波 电流相加，最后得到期望的谐波电流ｉ ，ｉ ｉ ． ３ 改进的检测算法的仿真实现 三 二封 为了验证该检测算法的正确性，用ＭＡＴＬＡＢ 软件进行建模仿真 ¨．图４所示为ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕ— ｌｉｎｋ下谐波电流检测部分电路仿真模型图．谐波电 流检测的实质是将三相包含谐波的负载电流经过 三相／两相变换成有功和无功电流，有功电流包括 电流ｉ 然后ｉｐ５和ｉ 经过低通滤波器ＬＰＦ滤波得 基波有功和谐波有功分量，无功电流包括基波无功 和谐波无功分量，然后将有功电流、无功电流进行 低通滤波，得到基波电流的有功分量、无功分量，最 后进行两相／三相变换，得到三相电流基波分量，实 现了负载电流中谐波电流与基波电流的分离． ｒ 一『ｓｉｎ（５ｗｔ＋△ ） 一ｃｏｓ（５￣ｏｔ＋△ ）１ 图５所示为检测出的５次、７次、１１次谐波电 △ 一ｉ—ｃｏｓ（５ ￡＋△ ） 一ｓｉｎ（５ ＋△ ）Ｊ 流波形图，这些谐波电流将作为参考值，控制系统 根据此参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补 偿电流，起到补偿的效果． 图５检测出的谐波电流（５次、７次、１１次） ４结论 ［３］周雒维，李白成，吴宁．有源电力滤波器谐波及无功电流的一 种检测方法［Ｊ］．重庆大学学报，２０００，２３（１）：５３—５５． 理论分析与仿真结果表明，改进的谐波电流检 ［４］Ｃｈａｎｇ Ｇ Ｗ．Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｍｐｅｎ— ｓａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ Ｓｈｕｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ 测算法能够及时、精确的检测到负载产生的谐波电 ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｖｉｅｗ，２００１，２１（３）：６３—６５． 流，从而使控制装置产生的补偿电流能够精确得跟 ［５］杨君，王兆安．三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究 踪指令电流，最终达到精确补偿负载谐波的目的． ［Ｊ］．电工技术学报，１９９５，５（２）：４３—４８． ［６］Ｆｕ Ｚｈｏｎｇｗｅｎ，Ｌｉ Ｈａｉｓｈａｎ，Ｈｕａｎｇ Ｗｅｎｌｉｎｇ．Ａ Ｎｅｗ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅ－ ｔｅｃｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｄ—ｑ Ｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ 参考文献： Ｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｅｒｎｃｅ ｏｎ ［１］顾建军，徐殿国，刘汉奎，等．有源滤波技术现状及其发展 ２００２．４：２２６５—２２６８． ［Ｊ］．电机与控制学报，２００３，７（２）：１２７—１２９． ［７］王正林，王胜开，陈国顺．ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与控制系统仿 ［２］王兆安，杨君，刘进军，等．谐波抑制和无功功率补偿（第２ 真［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５． 版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５． （下转２１２页） ２１２ 佳木斯大学学报（自然科学版） ２０１１年 分割方法中不断追求的目标． 分和粮食进出口等领域具有重要意义的基础上，对 ＯＴＳＵ算法就是根据ＯＴＳＵ算法的原理以及图 垩白米等级划分依据进行了研究．根据垩白米中垩 像的灰度直方图类间方差的不同，通过计算最大类 白部分具有垩白不透明这一物理特征，提出最大类 间方差，而最终确定大米图像的分割阈值，其分割 间方差（ＯＴＳＵ）算法在垩白米识别中的应用，该算 结果如图２所示． 法可靠性好，具有自动选取最佳分割阈值的特点， 由分割结果我们知道，ＯＴＳＵ自动阈值分割算 检测率高，分割效果受灰度重叠的影响小，并有较 法效果十分理想．它不但解决垩白米和正常米的灰 好的可移植性．在垩白米等农产品识别中具有重要 度区域分割阈值最佳问题，而且还具有自适应性分 的推广意义． 割优点． ３垩白米分割检测结果与分析 参考文献： ［１］ 国家质量技术监督局．ＧＢ／Ｔ．１７８９１—１９９９．优质稻谷国家标 为了验证此文垩白米检测方法的有效性，对东 准［ｓ］．北京：中国标准出版社，１９９９． 北的粳米进行了垩白米检测实验，并与基于分形维 ［２］侯彩云，王一鸣，凌云，等．垩白米粒的计算机图像识别［Ｊ］． 农业工程学报，２００２，ｌ８（３）：１６５—１６８． 数检测结果进行比较．准备垩白米１００粒（通过人 ［３］孙明，凌云，王一鸣．在ＭＡＴＬＡＢ环境中基于计算机视觉技 工目测的方法确定），将单个米粒放置于背景为黑 术的大米垩白检测［Ｊ］．农业工程学报，２００２，１８（４）：１４６— 色的光源箱中，由ＣＣＤ摄像机摄取原始图像，分辨 １４９． 率为１２８×１２８．每个米粒均采集８个不同方向的 ［４］张济忠．分形［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９５．１１１—１４１． 图像，８００幅垩白米图像．检测精度为９７％，高于 ［５］冯斌．计算机视觉信息处理方法与水果分级检测技术研究 ［Ｄ］．北京：中国农业大学，２００２． 固定阈值检测方法，Ｏ ｕ垩白米检测方法有效地 ［６］ ＯＴＳＵ Ｎ．Ａ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｒｏｍ Ｇｒａｙ—Ｌｅｖｅｌ Ｈｉｓ— 检测大米中的垩白区域，且方法简单、检测精度高． ｔｏｇｒａｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ，１９７９，９（１）：６２－６９． ［７］ Ｃｈｅｎ ＷＴ，Ｗｅｎ ｃＨ，Ｙａｎｇ ＣＷ．Ａ Ｆａｓｔ Ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｅｎ— ４ 结 论 ｔｒｏｐｉｃ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ Ａｌｇｏｉｒｔｈｍ［Ｊ］．Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ．１９９４． ２７（９）：８８５—８９． 本文针对垩白米识别工作在食品加工、等级划 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｈａｌｋｙ Ｒｉｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏＴＳＵ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｕ Ｊｉａｎ一 ， ＳＵＮ Ｙｉｎｇ—ｃｈｕｎ， ＪＩＡＮＧ Ｉｒｅ （Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｉ １５４００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｃｈａｌｋｙ ｒｉｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＯＴＳＵ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＯＴＳＵ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｓ ｈｔｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｅｇｍｅｎｔｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｍｕｌｔｉ—ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｓｅｇｍｅｎｔａ— ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｏｂｔａｉｎ ａｎ ｉｄｅａｌ ｓｅｇｍｅｎｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ．Ａｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ，ｉｔ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈ ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ ｒａ— ｔｉｏ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｄｅｔｅｃｔ ｃｈａｌｋｙ ｒｉｃｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｔｌｙ ｉｎ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｏ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｈｔｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｘｅｄ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｈａｌｋｙ ｒｉｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＯＴＳＵ；ｉｍａｇｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ （上接２０９页） Ｔｈｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｌＬＡＮＧ Ｑｉｕ—ｙａｎ， ＣＨＥＮ Ｓｉ—ｙｕ， ＺＨＯＵ Ｈａｉ一６０ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｍｕｓｉ １５４００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ ｔｏ ｗｏｒｋ ｒｅｌｉａｂｌｙ．Ｏｎ ｈｔｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｈｔｍ，ａ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｉｐ—ｉｑａｌｇｏｒｉｈｔｍ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｔｉｍｅｌｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ＳＯ ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｃｏｍｍａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｌｏａｄ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｗａｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ