电流谐波含量过高的开关电源在电网某一路上密集安装使用时，会使三相四线制供电系统的中线电流急剧增加，大大超出相电流，引起中线超负荷，造成中性点电压偏移，很容易导致开关电源大批损坏。这是未采取有效谐波滤波技术的原因，有的还会引起火灾，造成重大经济损失。因此，无论是从保证电力系统的安全、经济运行来看，还是从保护用电设备和人身安全来看，必须严格控制并限定电流谐波含量，以减小谐波污染造成的严重危害。......
2023-06-25
谐波电流检测技术详解
【摘要】：指令电流运算电路的核心是谐波电流实时检测方法，实时、精确地检测出电网中瞬时变化的谐波电流，是提高APF补偿精度的一个关键问题。下面介绍几种常见的谐波电流检测技术，并将重点介绍应用最广泛的基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术。
指令电流运算电路的核心是谐波电流实时检测方法，实时、精确地检测出电网中瞬时变化的谐波电流，是提高APF补偿精度的一个关键问题。下面介绍几种常见的谐波电流检测技术，并将重点介绍应用最广泛的基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术。
1.基波电流减去法
这是最早应用于指令电流运算的一类方法，采用模拟滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。这种方法存在许多缺点，如设计难、误差大、对电网频率和电路元件参数十分敏感等，因而极少采用。
2.频率分析法
该方法是从傅里叶级数中导出的，根据采集到的一个电源周期的电压、电流值进行计算，最终得到所需的谐波和无功电流。其缺点是由于傅里叶变换需要进行大量的运算，因此计算复杂，延时较长，实时性较差，难以实现瞬时检测。
3.瞬时空间矢量法
利用瞬时无功功率理论，首先检测出电压与负载电流，然后分别计算出瞬时有功功率和瞬时无功功率，滤去基波分量后得到谐波瞬时有功功率和瞬时无功功率，即得出所需补偿电流指令值。这种方法能快速跟踪补偿电流，进行及时补偿，但计算较为复杂且检测精度相对不高。
4.基于现代控制理论的方法
最早应用的现代控制理论方法有基于PI控制器的方法，但由于其控制特性不能适应电网和负载的变化，后来又提出了基于模糊控制和滑模控制等方法。它们都是直接根据有源滤波器逆变器直流侧的电压和电流值，求出被补偿的电网电流的基波有功分量，进而求出补偿所需的谐波电流的值。
5.自适应检测法
从自适应滤波算法中的自适应干扰对消原理衍生出的自适应检测法，检测过程为先求出基波有功分量，然后从待检测电流中排除掉基波有功分量，即可得到补偿电流的指令值。该方法突出的优点是对电网畸变电压、电网频率及参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢，需要一定的周期才能稳定[5，93-95]。
6.神经网络检测法
神经网络检测法是随着神经控制理论的应用发展而形成的一种新型智能手段。人工神经网络自学功能强，以进化算法和方向传播用于神经网络的拓展训练，但是算法较为复杂，检测速度有一定的局限。
7.基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术
在各国学者提出的众多检测方法中，得到广泛应用的是20世纪80年代初H.Akagi提出的基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术。目前，瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统并取得了良好的补偿效果，而且其应用从原先的三相三线制系统逐步扩展到其他类型的电路，如单相电路、三相四线制电路以及直流输电等更为广泛的领域。
瞬时无功功率理论[4-5]的实质是将n次谐波变换为n-1次谐波信号，故一般的5、7、11、13、17等奇次谐波将变为200Hz、300Hz等的交流信号，而基频分量变为直流信号。根据数字信号处理理论，将直流信号从包含200Hz甚至更高频率的信号中分离出来，低通滤波器的参数要经过综合考虑，才能满足很高的滤波精度和足够快的响应速度。实际中，滤波精度和响应速度两者是相互矛盾的。
三相电路瞬时无功功率理论的基本理论如下：假设三相电路中的电压和电流瞬时值分别为ea，eb，ec和ia，ib，ic，采用C32变换矩阵，将它们变换到αβ两相正交坐标上有
式中
αβ坐标系中的电压和电流矢量如图3-5所示。图示αβ平面中，矢量eα、eβ和iα、iβ可分别合成（旋转）电压矢量e和电流矢量i。φe、φi分别为e、i的幅角。瞬时无功和有功在αβ坐标系下可表示为
式中
。
图3-5 αβ坐标系中的电压和电流矢量
瞬时无功功率理论在正弦对称电压和对称负载条件下，所定义的各物理量有其明确的物理意义。由于该技术是针对有源电力滤波器开发出来的，因此它仅需或仅能得到三相电路的总谐波电流含量，这对于电力系统中许多尚需检测出电网中任意次谐波电流的应用场合有一定局限性。同时，在电压非正弦和负载不对称条件下，该理论中的各定义量不再有明确的物理意义。
p-q法是基于三相电路瞬时无功功率的一种谐波检测方法，此种方法不受电网电压畸变的影响，可以迅速准确地检测出负载电流的谐波分量，具有实时性好、准确度高等优点。原理如图3-6所示。
图3-6 p-q运算方式原理图
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