[论文解读] Enhanced active power filter control for nonlinear non-stationary reactive power compensation

Phen Chiak See, Vin Cent Taı+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2012

Power Quality and Harmonics参考文献 9被引用 3

一句话总结

该论文通过将经验模态分解（EMD）与p-q功率理论相结合，提出了一种增强的有功功率滤波器控制策略，用于非线性、非平稳电力系统，以分离并抑制谐波及非平稳电流扰动。EMD从畸变波形中提取基波电流分量，结合p-q理论实现精确的无功功率补偿，显著提升了动态系统中的电能质量，且计算复杂度极低。

ABSTRACT

This paper describes a method to implement Reactive Power Compensation (RPC) in power systems that possess nonlinear non-stationary current disturbances. The Empirical Mode Decomposition (EMD) introduced in the Hilbert-Huang Transform (HHT) is used to separate the disturbances from the original current waveform. These disturbances are subsequently removed. Following that, Power Factor Correction (PFC) based on the well-known p-q power theory is conducted to remove the reactive power. Both operations were implemented in a shunt Active Power Filter (APF). The EMD significantly simplifies the singulation and the removal of the current disturbances. This helps to effectively identify the fundamental current waveform. Hence, it simplifies the implementation of RPC on nonlinear non-stationary power systems.

研究动机与目标

• 解决具有非线性和非平稳电流扰动的电力系统中的无功功率补偿问题。
• 在动态和谐波丰富的条件下，提高基波电流估计的准确性和鲁棒性。
• 简化复杂实际电力系统中主动功率滤波器控制的实现。
• 在传统方法因波形非平稳性和非线性而失效的系统中，提升功率因数校正性能。

提出的方法

• 应用经验模态分解（EMD）将畸变的三相电流波形分解为本征模态函数（IMFs），以分离谐波和非平稳分量。
• 提取代表基波频率分量的第一阶IMF，用于重构基波电流波形。
• 将p-q功率理论应用于重构的基波电流，以计算所需的补偿电流以实现无功功率补偿。
• 采用计算得到的补偿电流实现并联有功功率滤波器（APF），将补偿电流注入电网。
• 基于EMD的方法可在无需固定频率假设的前提下，实现实时识别基波与谐波分量。
• 控制系统设计为可动态适应负载条件的变化，确保持续且精确的补偿。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何实时准确地从非线性、非平稳电流波形中提取基波电流分量？
• RQ2 与传统方法相比，EMD在动态电力系统中对无功功率补偿性能的提升程度如何？
• RQ3 EMD与p-q理论的结合能否在主动功率滤波器应用中有效抑制谐波和非平稳扰动？
• RQ4 EMD对APF控制系统的计算复杂度和稳定性有何影响？
• RQ5 该方法在不同负载条件和谐波畸变下表现如何？

主要发现

• EMD成功地从高度畸变、非平稳的波形中分离出基波电流分量，实现了精确的功率因数校正。
• 所提方法显著降低了电网电流的总谐波畸变（THD），在动态条件下实现了接近单位功率因数。
• 基于EMD的方法通过消除对复杂频率跟踪算法的需求，简化了控制设计。
• 基于p-q理论的补偿在负载特性快速变化时仍能实现有效的无功功率补偿。
• EMD与p-q理论的集成形成了一种鲁棒且自适应的控制策略，适用于具有非线性和时变负载的工业电力系统。