電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生及其檢測方法分析

0 引 言
    隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通等各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但由于電力電子裝置是一種非線性時(shí)變拓?fù)湄?fù)荷，其產(chǎn)生的諧波和無功注入電網(wǎng)，會(huì)使設(shè)備容量和線路損耗增加，造成發(fā)配電設(shè)備利用率的下降，影響供電質(zhì)量，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅。目前，諧波污染、電磁干擾和功率因子降低已成為電力系統(tǒng)的三大公害，因此，研究和分析諧波產(chǎn)生的原因，為抑制電力系統(tǒng)的諧波干擾提供好的檢測方法，對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量滿足用戶需求具有重要的實(shí)際意義。

1 諧波產(chǎn)生的原因
    在電力系統(tǒng)中，電壓和電流波形理論上應(yīng)是工頻下的正弦波，但實(shí)際的波形總有不同的非正弦畸變。從數(shù)學(xué)的角度分析，任何周期波形都可以被展開為傅里葉級(jí)數(shù)，因此，對(duì)于周期T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)或電流i(t)，在滿足狄里赫利條件下可以展開成如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)，即：

式中：c1sin(ωt+θ1)為基波分量；cnsin(nωt+θn)為第n次諧波分量?？梢钥闯?，所謂諧波就是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，這也是國際上公認(rèn)的諧波定義。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，因此通常又被稱為高次諧波。雖然在實(shí)際的電網(wǎng)中還存在一些頻率小于基波頻率整數(shù)倍的正弦分量，但主要研究的還是電網(wǎng)中存在的整數(shù)次諧波。
    公用電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生原因主要和以下兩方面有關(guān)：
    (1)電源本身以及輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。由于發(fā)電機(jī)三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致等制造和結(jié)構(gòu)上的原因，使得電源在發(fā)出基波電勢的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諧波電勢，但由于其值很小，一般在分析電力系統(tǒng)諧波問題時(shí)可以忽略。在輸配電系統(tǒng)中則主要是變壓器產(chǎn)生諧波，由于其鐵芯飽和時(shí)，磁化曲線呈非線性，相當(dāng)于非線性器件，飽和程度越深波形畸變也就越嚴(yán)重，再加上設(shè)計(jì)時(shí)出于經(jīng)濟(jì)性考慮，使磁性材料工作在磁化曲線的近飽和區(qū)段，從而產(chǎn)生諧波電流。電源和輸配電系統(tǒng)雖然產(chǎn)生諧波，但這兩方面產(chǎn)生的諧波所占的比例一般都很小。
    (2)電力系統(tǒng)負(fù)荷端大量的大功率換流設(shè)備和調(diào)壓裝置的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生的諧波，如熒光燈、電弧爐、變頻設(shè)備、家用電器等。這些用電設(shè)備具有非線性特征，即使供給的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓，也會(huì)產(chǎn)生諧波電流注入系統(tǒng)，給電網(wǎng)造成大量的諧波，甚至?xí)驗(yàn)閰?shù)配置問題使得局部區(qū)域產(chǎn)生放大，由用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波所占比例很大，是電網(wǎng)主要的諧波源。

2 諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害
    諧波電流和諧波電壓的存在，對(duì)公用電網(wǎng)造成了很大的污染，破壞了用電設(shè)備所處的環(huán)境，容易導(dǎo)致一系列的故障和事故，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波的危害是多方面的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
    (1)諧波會(huì)引起諧振和諧波電流的放大為了補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，提高功率因數(shù)等，常會(huì)在系統(tǒng)中裝設(shè)各種用途的電容器，工頻下，電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不會(huì)發(fā)生諧振。但當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，對(duì)諧振頻率來說，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小，就有可能產(chǎn)生諧振，諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，使電容器出現(xiàn)過電流與過負(fù)荷，溫度增高，易導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在諧波引起的事故中有約75％是電容器和與之串聯(lián)的電抗器被燒毀。
    (2)諧波影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的供電質(zhì)量在電力系統(tǒng)中，一般都使用各種繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)控制裝置來保證在故障情況下線路與設(shè)備的安全，而諧波會(huì)對(duì)這些裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。另外，在三相四線制配電網(wǎng)供電時(shí)，由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，尤以3次諧波含量較多，使相線上3的整數(shù)倍諧波在中性線上疊加，導(dǎo)致中性線上電流超過相電流造成過負(fù)荷。而且，諧波電流的存在，增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能性，極易產(chǎn)生很大的過電壓和過電流，不僅引發(fā)事故，還增加附加損耗，降低供電效率和設(shè)備利用率等。
    (3)諧波影響各種電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常工作如對(duì)于電動(dòng)機(jī)會(huì)引起附加損耗，降低效率，引起電動(dòng)機(jī)過熱，并且當(dāng)諧波電流頻率接近定子等零部件的固有振動(dòng)頻率時(shí)，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。對(duì)于電力變壓器，諧波會(huì)使銅耗、鐵耗增大，引起局部過熱，使變壓器噪聲增大。而且，諧波干擾會(huì)產(chǎn)生多個(gè)過零問題，影響電子裝置和控制電路的正常運(yùn)行，計(jì)算機(jī)等工業(yè)電子設(shè)備的功能也會(huì)因?yàn)橹C波干擾產(chǎn)生失真而遭到破壞。
    另外，諧波還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾，產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，影響儀表等設(shè)備的精度，導(dǎo)致計(jì)量混亂，減少設(shè)備使用壽命等各種嚴(yán)重危害。

3 諧波的檢測和分析方法
    對(duì)電力系統(tǒng)諧波問題的研究涉及面很廣，如諧波源分析、諧波檢測、畸變波形分析、諧波抑制等，其中很重要的一個(gè)方面就是諧波的檢測，它是解決其他諧波問題的基礎(chǔ)。但由于電力系統(tǒng)的諧波受到隨機(jī)性、非平穩(wěn)性、分布性等多方面因素影響，要進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測并不容易，因此，隨著交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，也逐漸形成了多種諧波檢測方法，如模擬濾波、基于傅氏變換的頻域分析法、基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
3．1 模擬濾波和基于傅氏變換的頻域分析法
    模擬濾波器方法和基于傅氏變換的頻域分析法都是基于頻域理論，屬于早期的諧波檢測方法。模擬濾波器法有兩種，一種是通過濾波器濾除基波電流分量從而得到諧波電流分量；另一種是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量。這種方法實(shí)現(xiàn)原理和電路結(jié)構(gòu)簡單，能濾除一些固有頻率的諧波，易于控制，但誤差大，實(shí)時(shí)性差，受外界環(huán)境影響較大，參數(shù)變化時(shí)檢測效果明顯變差。
    基于傅氏變換的頻域分析法根據(jù)采集到的一個(gè)周期的電流值(或電壓值)進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將需要抵消的諧波分量通過傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將該誤差進(jìn)行傅里葉反變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。這種方法精度高，使用方便，但需要一定的時(shí)間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大，檢測時(shí)間較長，檢測結(jié)果實(shí)時(shí)性不好，大多用于諧波的離線分析。如果需要提高實(shí)時(shí)性，可以利用數(shù)字鎖相同步采樣法使信號(hào)頻率和采樣頻率同步(如圖1所示)，通過圖中的相位比較器把采樣信號(hào)的相位和頻率與鎖相環(huán)輸出的同步反饋信號(hào)進(jìn)行比較，再將其輸出經(jīng)濾波后控制壓控振蕩器的頻率，直到輸入頻率和反饋頻率同步為止，然后鎖定并跟蹤輸入信號(hào)頻率的變化，保持同步，并用輸出的同步信號(hào)去控制采樣和加窗，從而獲得較好的實(shí)時(shí)性。

    隨著電力系統(tǒng)對(duì)諧波檢測要求的提高以及各種新的諧波檢測方法日益成熟，這兩種方法一般不再優(yōu)先選用，而且即使在穩(wěn)態(tài)諧波檢測中使用傅氏變換的頻域分析法也大多采用快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法。
[!--empirenews.page--]3．2 基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法
    瞬時(shí)無功功率理論是日本學(xué)者赤木泰文等人于1983年最先提出的基于時(shí)域的一種理論，以瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q為基礎(chǔ)，即p-q理論。該理論是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的，突破了傳統(tǒng)功率理論的平均值意義，不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波的情況。它的基本原理是將三相瞬時(shí)電壓電流經(jīng)旋轉(zhuǎn)、正交坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)中，根據(jù)兩相瞬時(shí)電壓電流合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量和電流矢量并經(jīng)投影得到三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流，進(jìn)而得到瞬時(shí)有功功率和無功功率，再經(jīng)過高次諧波分離和反變換，從而得到諧波電流分量。但這種計(jì)算方法對(duì)于產(chǎn)生畸變的三相電壓將存在較大誤差，不能準(zhǔn)確地檢測出各次諧波，此時(shí)，可以使用改進(jìn)的ip-iq法，如圖2所示。

    ip-iq法以計(jì)算瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)三相電路中各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea，eb，ec和ia，ib，ic，先將三相坐標(biāo)電流轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)iα，iβ，然后根據(jù)定義式：

   
    計(jì)算出瞬時(shí)有功電流ip和無功電流iq，再經(jīng)過低通濾波器得到ip，iq的直流分量，進(jìn)而可以計(jì)算出三相基波電流，最后將基波分量與被檢測電流相減即得到相應(yīng)的諧波電流iah，ibh，ich。定義式中用到的sinωt，cosωt是與相電壓ea同相位的正余弦信號(hào)，由圖中鎖相環(huán)和信號(hào)發(fā)生電路得到。
    此外，另一種改進(jìn)的基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的d-q法也可以在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、波形畸變的情況下精確地檢測出諧波電流?；谒矔r(shí)無功功率理論的檢測方法原理簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，延時(shí)小，具有較好的實(shí)時(shí)性，既能檢測諧波又能補(bǔ)償無功功率。而且，在此基礎(chǔ)上又提出了廣義的瞬時(shí)無功功率理論并進(jìn)人工程應(yīng)用。目前，基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法已成為總諧波實(shí)時(shí)檢測的主要方法，也是有源電力濾波器中應(yīng)用最廣的一種諧波檢測方法。
3．3 基于小波變換的檢測方法 
    作為調(diào)和分析的工作結(jié)晶，小波分析正成為近年來研究的熱門領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、語音識(shí)別與合成、機(jī)器視覺、機(jī)械故障診斷與監(jiān)控等科技領(lǐng)域，它可以用來替換傳統(tǒng)使用傅里葉分析的地方，在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，克服了傅里葉變換在非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析方面的缺點(diǎn)，尤其適合突變信號(hào)的分析與處理。由于小波分析能計(jì)算出某一特定時(shí)間的頻率分布并把各種不同頻率組成的頻譜信號(hào)分解為不同頻率的信號(hào)塊，因此可以通過小波變換來較準(zhǔn)確地求出基波電流，最終得到諧波分量。當(dāng)前小波分析在諧波檢測中的應(yīng)用研究成果主要有：
    (1)基于小波變換的多分辨分析。把信號(hào)分解成不同的頻率塊，低頻段上的結(jié)果看成基波分量，高頻段為各次諧波，利用軟件檢測、跟蹤諧波變化。
    (2)將小波變換和最小二乘法相結(jié)合來代替基于卡爾曼濾波的時(shí)變諧波跟蹤方法，它將各次諧波的時(shí)變幅值投影到正交小波基張成的子空間，然后利用最小二乘法估計(jì)其小波系數(shù)，將時(shí)變諧波的幅值估計(jì)問題轉(zhuǎn)換成常系數(shù)估計(jì)問題，以達(dá)到較快的跟蹤速度。
    (3)利用小波變換的小波包具有將頻率空間進(jìn)一步細(xì)分的特性，以及電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波投影到不同的尺度上，會(huì)明顯地表現(xiàn)出高頻、奇異高次諧波信號(hào)的特性進(jìn)行諧波分析。
    (4)通過對(duì)含有諧波信號(hào)進(jìn)行正交小波分解，分析原信號(hào)的各個(gè)尺度的分解結(jié)果，達(dá)到檢測各種諧波分量的目的，從而具有快速的跟蹤速度。
    小波變換的理論和應(yīng)用研究時(shí)間還不長，在諧波測量方面仍然存在著諸多不完善的地方，在實(shí)際現(xiàn)場中的應(yīng)用尚有待進(jìn)一步研究。
3．4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法
    人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自從面世后發(fā)展非常迅速，并且隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益深入，如負(fù)荷預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度、諧波檢測與預(yù)測等，并在工程應(yīng)用上取得一些較好成效?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法主要涉及模型的構(gòu)建、樣本的確定和算法的選擇，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的檢測對(duì)周期性及非周期性電流都具有良好的快速跟蹤能力，對(duì)高頻隨機(jī)干擾也有較好的識(shí)別能力。
    和傅里葉變換、小波變換相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法對(duì)數(shù)據(jù)流長度的敏感性較低，而檢測精度較高，對(duì)各次諧波的檢測精度一般不低于這兩種變換，能得到較滿意結(jié)果。另外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以同時(shí)實(shí)時(shí)檢測任意整數(shù)次諧波；而且可以使用隨機(jī)模型的處理方法對(duì)信號(hào)源中的非有效成份當(dāng)作噪聲處理,克服噪聲等非有效成份的影響，抗干擾性好。
    以上幾種主要的諧波檢測方法中，基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法即能檢測諧波又能檢測無功功率，而且在電網(wǎng)電壓對(duì)稱沒有畸變時(shí)，檢測基波正序無功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量的實(shí)現(xiàn)電路簡單，實(shí)時(shí)性好，廣泛用于有源電力濾波器中的諧波檢測，但這種方法是基于三相電路提出來的，不適用于單相電路。小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都是近年來發(fā)展起來的諧波檢測方法，研究和應(yīng)用時(shí)間都很短，在實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方面還需要不斷完善，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造和樣本訓(xùn)練上還沒有找到規(guī)范通用的方法，但這并不阻礙它們的發(fā)展?jié)摿Γ铱梢詫⑿〔ㄗ儞Q和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來對(duì)諧波進(jìn)行分析，隨著研究的深入開展，這些新型的諧波檢測方法也將會(huì)得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié) 語
    隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜化以及對(duì)電能質(zhì)量要求的日益提高，對(duì)諧波問題的研究也必將不斷深入，尋找到更為有效可行的諧波檢測方法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)則成為諧波治理的關(guān)鍵，而隨著可編程邏輯器件、微處理器、DSP等器件的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，也為小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新型諧波檢測方法的工程應(yīng)用研究帶來契機(jī)，相信電網(wǎng)諧波檢測技術(shù)也將不斷完善，逐步實(shí)現(xiàn)高速度、高精度、智能化，為諧波分析提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，提高供電質(zhì)量。