使用滑动窗口技术进行基本电流提取，以实现SAPF控制

《Electric Power Systems Research》：Fundamental current extraction using a sliding window technique for SAPF control

针对工业油气管网中变频驱动器（VFD）引发的谐波污染问题，提出基于滑动窗口离散傅里叶变换（SW-DFT）的静态无源电力滤波器（SAPF）控制器，无需低通滤波和相位锁定环，实验验证其动态响应更快，谐波畸变率（THD）降低51%，并有效抑制反向无功功率流，提升电力质量。

　　

Mohamad Issa Ibraheem|Amer Al-Hinai|Hassan Haes Alhelou|Mohammed Al-Mamari|Khaled Alawasa

阿曼马斯喀特苏丹卡布斯大学可持续能源研究中心

摘要

石油和天然气设施使用变频驱动器（VFD）电机来提高能源效率，尽管这些电机产生的电流会导致谐波失真以及设备更快的磨损和老化。本研究提出了一种基于滑动窗口离散傅里叶变换（SW-DFT）技术的先进并联有功功率滤波器（SAPF）控制器，能够准确提取基波电流，从而提升谐波补偿性能。该设计消除了对低通滤波器和锁相环（PLL）的需求，实现了更快的动态响应和简化的调谐过程。通过使用实时数字模拟器（RTDS）进行控制器硬件在环（CHIL）实验验证了该控制器的有效性，并证明了其优越的稳定性和谐波抑制能力。实验结果表明，与未补偿的情况相比，所提出的控制器可将总谐波失真（THD）降低约51%。此外，对一个工业石油和天然气设施的DIgSILENT模型分析表明，引入VFD后谐波失真显著增加，达到54.48%的THD水平。这些结果证实，所提出的SAPF控制器显著提升了滤波器性能，有助于实现更可靠、更高效的电力生成。

引言

在现代工业设施和应用中，变频驱动器（VFD）的快速普及导致非线性负载的频率显著增加[1]。这一发展从根本上改变了电力网络的电能质量特性。与传统的直接在线（DOL）电机启动器不同，VFD会产生大量的谐波电流，并在电缆电容和电机负载之间产生复杂的相互作用[2]。这些相互作用不仅加剧了总谐波失真（THD），还促进了反向无功功率的流动，而反向无功功率对于维持电网电压稳定性、防止设备老化和减轻长距离工业馈线中的绝缘应力至关重要[3]。此外，现代智慧城市越来越多地集成可再生能源逆变器和快速充电电动汽车（EV）站，以产生可持续和高效的能源，这进一步加剧了配电网络中的谐波问题。同时，现代配电系统需要快速、准确和自适应的控制。因此[4]指出，能够实时提取谐波且延迟最小的并联有功功率滤波器（SAPF）控制器是实现更高电能质量标准的关键。

根据[5]的研究，使用滤波器（包括无源滤波器和有功功率滤波器）来抑制谐波失真存在动态响应慢的问题，并且通过锁相环（PLL）和低通滤波来准确提取基波电流存在复杂性。这一限制促使研究人员开发新的方法和策略来提高滤波器的响应速度和准确性。在这种情况下，先进的SAPF不仅可以作为补偿器使用，还可以作为数字监控配电网络中的智能数据生成节点。这样的系统符合新兴范式，如数字孪生技术，它们利用实时测量、分析和预测控制来提升稳定性和运营效率[6]。因此，本研究分析了VFD渗透率增加对工业加油站系统的影响，并提供了一种基于滑动窗口离散傅里叶变换（SW-DFT）的SAPF控制器，以增强基波电流的提取能力。

谐波带来的日益严峻的挑战促使研究人员开发了多种滤波解决方案[7]。研究表明，由于简单性和成本效益，无源滤波器被广泛使用；然而，它们在系统条件变化时缺乏灵活性，可能会引发并联共振[8]。相比之下[8]指出，某些有源功率滤波器在电压谐波抑制方面提供了更好的动态性能。尽管如此[9]提到，它们适应大幅无功功率变化的能力仍然有限。

[10]证明，SAPF是电力系统中高效且广泛应用的一种解决方案。它通常由并联配置的电压源逆变器（VSI）、直流链路电容器和耦合电感器组成，用于抑制电流纹波[11]。研究发现，SAPF主要用于功率因数校正和减少由VFD、整流器、逆变器、个人计算机和荧光灯等非线性负载引起的电流谐波[11]。通过将并联、串联或双电感器-电容器（LC）谐波滤波器集成到混合配置中，可以进一步优化SAPF的性能[11]。这些扩展通常用于延长逆变器的寿命、抑制谐波和支持无功功率[12]。此外[13],[14]指出，提高SAPF的性能不仅取决于滤波器结构，还依赖于SAPF控制器更有效地解决电能质量问题的能力。传统的SAPF控制器技术通常采用瞬时功率或同步参考帧（$d?q$方法。这些技术分别利用静止（$\alpha ?\beta$）框架或旋转（$d?q$框架，结合低通滤波器。在这些控制器技术中，采用了多种控制方法，包括模糊逻辑控制[15]、滑模控制（SMC）[16]和自适应或最优控制策略[17],[18]。此外，逆变器的门极脉冲通过多种策略产生，包括滞回电流控制方法、空间矢量脉宽调制（SVPWM）、模糊逻辑控制和SMC[10]。然而，所有上述方法都依赖于低通滤波器，并采用类似的基本策略，可能导致整体成本增加和动态性能下降。

尽管对SAPF进行了大量研究并开发了复杂的控制算法，但仍存在一些未解决的问题。大多数现有方法，如Savitzky-Golay滤波器（SGF）[19]、滑动窗口递归离散傅里叶变换（SWRDFT）方法[20]、针对车辆到电网（V2G）接口的新基波电流提取方法[21]、基于量子微积分的算法[22]、自适应预测控制方法[23]以及控制器硬件在环（CHIL）验证方法[24]，都需要低通滤波器和PLL来提取基波电流。然而，这可能会降低SAPF的动态性能并增加系统的复杂性。此外，虽然一些现有方法已在实验室条件和单相系统中进行了评估，但仍需在具有复杂无功功率管理和多相系统的实际环境中对其进行验证。因此，开发一种使用自由PLL和电流滤波器组件准确提取基波分量的方法至关重要，以提升SAPF和整个系统的电能质量。

本研究提出了一种创新的SAPF控制策略，旨在克服传统方法中过度依赖低通滤波器和PLL提取基波信号的局限性。相反，通过结合滑动窗口（SW）方法和离散傅里叶变换（DFT）分析实时识别负载电流的基波分量，并在真实的工业模型中展示了VFD对谐波的影响，以及SAPF在改善谐波和功率流动方面的作用。本文的贡献包括：1. 提出了一种基于SW-DFT的新SAPF控制器，无需低通滤波器和PLL即可提取基波分量。

2. 研究了VFD渗透对工业设施中谐波失真和反向无功功率流动的影响。

3. 展示了SAPF在工业馈线中的应用，有效抑制了谐波电流和反向无功功率流动，显著提高了以VFD为主的网络的电能质量（PQ）性能。

4. 使用RTDS进行的高保真CHIL验证证实了所提出控制器在动态和稳态性能方面优于常见的SAPF控制方案，结果显示总谐波失真（THD）得到显著降低。

本文的其余部分组织如下：第2节介绍工业网络的建模和电能质量（PQ）问题评估；第3节讨论SAPF；第4节介绍所提出的控制器；第5节分析和讨论结果；第6节提供结论。

部分摘录

工业网络建模和电能质量（PQ）问题评估

研究对象是一个石油和天然气生产设施，其DIgSILENT PowerFactory单线图（SLD）如图1所示。该模型包括两个62.5 MVA的变压器（132/34.5 kV，12.5%阻抗），为33 kV母线供电，这些母线由多个中压、低压和电动潜水泵（ESP）驱动的馈线供电。馈线C100、C300、C500、C110和C310连接到母线A，而馈线C200、C400、C600、C210和C410由母线B供电。

并联有功功率滤波器

SAPF在电力系统中被广泛用于改善电能质量。其主要目的是减轻电流源信号中的谐波失真，从而提高整体电网质量。滤波器与非线性负载并联连接，包括硬件设备和控制器。SAPF的硬件组件通常包括VSI、直流链路电容器和耦合电感器，用于抑制电流纹波，如图2所示。

提出的并联有功功率滤波器控制器

本节详细描述了SAPF控制器的设计。如图2所示，基波电流是通过编程代码生成的，详细信息在算法1中给出。算法的输入是失真的负载电流（I_L）。基于DFT的谐波提取的准确性取决于同步采样，其中采样频率（Fs）必须是电网频率（F）的整数倍。为了确保这种同步，每

结果讨论

本节分为两个小节。第一节使用RTDS进行CHIL测试，能够在实际运行条件下实时验证SAPF控制器。第二节使用DIgSILENT PowerFactory软件评估VFD对加油站设施的影响，并进一步量化SAPF对提升整体电能质量的贡献。

结论

在电力系统中，电能质量评估至关重要，因为谐波失真可能导致许多技术问题。本文研究了VFD对谐波传播的影响。通过抑制谐波和补偿无功功率来提高电能质量是SAPF的基本功能。提出了一种提取失真源电流基波的新方法。在所提出的方法中，使用SW-DFT

CRediT作者贡献声明

Mohamad Issa Ibraheem：撰写——原始草稿、软件、方法论、形式分析。Amer Al-Hinai：撰写——审阅与编辑、验证、监督、调查。Hassan Haes Alhelou：撰写——审阅与编辑、方法论、形式分析。Mohammed Al-Mamari：撰写——原始草稿、资源、方法论、形式分析。Khaled Alawasa：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。