电网谐波检测

电网谐波检测

摘要:随着经济和电力电子技术的高速发展，各种由谐波引起的故障和事故不断发生，对电网安全、稳定和经济运行构成潜在威胁，也给周围电气环境带来极大影响，电网谐波污染问题已经成为电能质量中最为突出的问题。谐波检测是谐波问题处理的首要环节，是谐波问题研究的主要依据。

关键词：电网谐波；检测方法 1电网中谐波产生

电力系统中谐波的定义是对周期性非正弦的电量进行傅里叶级数的分解，分解的结果中除了有与电网基波频率相同的分量之外，还存在一系列大于电网基波频率的分量，我们把这部分电量称为谐波。

随着电力电子技术的迅速发展，大量电力电子变流装置和各种非线性负载接入电力系统，从而引起电力系统中的电流和电压波形产生畸变，从频域的角度来看，在这些畸变的电流和电压波形中，不仅仅包含与供电电源同频率的正弦量，而且出现了一系列的频率为基波整数倍的正弦分量[1]，这就是前面所说的谐波。具体来说谐波产生的原因有以下三个方面：

(1) 发电源的质量不高而产生的谐波

发电机的结构中，由于三相绕组在制作上无法做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，所以磁通密度沿空间的分布只能做到接近正弦分布，所以磁通中都有高次谐波，电势中也就有高次谐波，其中三次谐波占主要成分[2]。

(2) 输配电系统产生的谐波

在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，变压器饱和时的励磁电流只含有奇次谐波，以3次谐波最大，可达额定电流0.5%，对于三相变压器，3倍次谐波的磁通经由邮箱外壳构成闭合磁路，因而磁通中对应该次的谐波较小（单相铁芯的10%），绕组中有三角形接法时，零序性谐波电流在闭合的三角形接线中环流而不会注入电网。三相对称且有三角形绕组的变压器，器产生励磁电流注入电网谐波电流的阶次是6k 1,k=1,2…由于其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流[3]。

(3)用电设备产生的谐波

由用电设备产生的谐波所占比例很大，是电网主要的谐波源。这些用电设备具有非线性特征，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网造成大量的谐波，甚至会因为参数配置问题使得局部区域产生放大。按照用电设备中非线性元件的类型，谐波源可以分为两大类[4,5]：

1)含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备。它们也是造成电力系统中谐波干扰的最主要因素。

2)含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源：这一类设备主要有旋转电机、变压器、电弧炉、交流电焊机及日光灯等。

2谐波的检测方法

对电力系统谐波问题的研究涉及面很广，如谐波源分析、谐波检测、畸变波形分析、谐波抑制等。谐波检测是谐波问题中的一个重要方面，它是解决其他谐波问题的基础。但由于电力系统的谐波受到随机性、非平稳性、分布性等多方面因素影响，要进行实时准确的检测并不容易。因此，人们在不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术，目前主要有下述几种方法：

2.1基于模拟带通或带阻滤波器的检测法

该方法是最早被采用的谐波电流检测方法。其原理是使用带通(或带阻)滤波器将基波电流从检测的电流中分离出来，从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但是所采用的高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补偿效果[4]。此外，这种方法还存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点，目前已较少采用。

2.2基于Fryze功率定义的检测方法

该方法的基本原理是将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全一致的电流分量，称为有功电流分量；另一个分量为负载电流与有功电流的差值，包含基波无功和谐波，称为广义无功电流分量。该方法的主要缺点是必须计算负载的有功功率和电网电压的有效值，这需要对电网电压和负载电流的乘积以及电网电压信号的平方进行积分运算，再加上其他运算电路所需的计算时间，用该方法计算出广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿，而且这种方法仅仅区分有功电流和广义无功电流，却无法将基波无功和谐波电流相分离[6]。

2.3基于频域分析的快速傅里叶变换检测法

该方法是建立在Fourier分析的基础上的，因此要求被补偿的波形是周期变换的，否则会带来较大误差。通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得到所需的误差信号，再将该误差信号进行FFT反变换，即可得补偿信号。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还能够通过电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和基波无功电流，且受环境因素影响也较小[7]。然而，该方法需进行FFT变

换及其反变换，计算量很大，因而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或频率波动时，将会引起较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响很大。

2.4基于三相瞬时无功功率理论的谐波检测法

三相电路的瞬时无功功率理论于1983年由赤木泰文首先提出，此后该理论经不断研究逐步完善。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。该理论的核心在于将三相电路各相的电压和电流变换到两相正交的坐标系上研究。在只检测无功电流时，可以无延时地得出检测结果；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，会有不同的延时[8]。该方法具有较好的实时性。

2.5基于小波变换的检测方法

小波分析正成为近年来研究的热门领域，被认为是继Fourier分析之后的又一有效的时频分析方法。与Fourier变换相比，小波变换是一个时间和频域的局域变换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，克服了傅里叶变换在非稳态信号分析方面的缺点，尤其适合突变信号的分析与处理，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题。由于小波分析能计算出某一特定时间的频率分布并把各种不同频率组成的频谱信号分解为不同频率的信号块，因此可以通过小波变换来较准确地求出基波电流，最终得到谐波分量。当前小波分析在谐波检测中得到了很好的应用，取得了大量的研究成果。但小波变换的理论和应用研究时间还不长，在谐波测量方面仍然存在着诸多不完善的地方，在实际现场中的应用尚有待进一步研究。

2.6基于神经网络的检测方法

人工神经网络技术自从面世后发展非常迅速，并且随着神经网络的发展，在电力系统中的应用也日益深入，如负荷预测、优化调度、谐波检测与预测等，并在工程应用上取得一些较好成效。人工神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。基于神经网络的检测方法主要涉及模型的构建、样本的确定和算法的选择，利用神经网络实现谐波和无功电流的检测对周期性及非周期性电流都具有良好的快速跟踪能力，对高频随机干扰也有较好的识别能力。和傅里叶变换、小波变换相比，基于神经网络的检测方法对数据流长度的敏感性较低，而检测精度较高，对各次谐波的检测精度一般不低于这两种变换，能得到较满意结果。另外，基于神经网络的检测方法实时性强，可以同时实时检测任意整数次谐波；而且可以使用随机模型的处理方法对信号源中的非有效成份当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响，抗干扰性好。

总结

随着电网的复杂化以及对电能质量要求的日益提高，对谐波问题的研究也必将不断深入，寻找到更为有效可行的谐波检测方法及其实现技术则成为谐波治理的关键。随着可编程逻辑器件、微处理器、DSP等器件的发展和广泛应用，为小波变换、神经网络等新型谐波检测方法的研究和工程应用带来了契机，电网谐波检测技术也将不断完善，逐步实现高速度、高精度、智能化，这将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 赵贺.电力电子学在电力系统中的应用一灵活交流输电系统.北京:中国电力出版社，2001.5.

[2] 王宇.电力系统谐波及其抑制技术的研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学,2009.9-14.

[3] 周佳. 基于智能检测算法的谐波抑制.长沙：中南大学，2010.1-8.

[4] 王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2006.

[5] 吴竞昌，孙树勤，宋文南等.电力系统谐波.北京：水利电力出版社，1988.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。