电力系统谐波检测新的方法和实现技术

1. 绪 论

1.1 谐波概述及意义 谐波抑制和无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。近年来随着电力市场化和电子科技的发展，同时出现的两种趋势使得谐波问题变的更加突出。两种趋势为：电力公司为改善功率因数而大量增加使用电容器组;工业界为提高系统的可靠性和效率而广泛使用电力电子变流器。

电力公司一直致力于高功率因数运行状态，因为高功率因数运行可以降低设备所需要的额定值以及线路损耗和电压降落，从而减少对电压调节设备的需求。同时，工业界大量增加使用变速传动和电力电子设备，变速传动和电力电子设备是某些谐波现象的根源。这些设备与功率因数校正电容器组相互作用导致了电压和电流的波形畸变，产生了大量的电力谐波。

随着半导体电子工业的迅猛发展，促使了精密设备的诞生，与过去粗笨设备相比，这些精密设备对电力公司提供的电能质量更加敏感，但同时这些设备也导致交流电流和电压稳态波形的畸变。

电力系统中的谐波己经逐渐发展成为影响电力系统安全的重要因素，与电磁扰、功率因数降低并列为电力系统中的三大公害。因此解决电力系统谐波问题已经显得非常迫切。随着电力电子技术的飞速进步，在谐波抑制和无功补偿方面的研究也取得了一些突破性的进展。有源电力滤波器是近年出现的一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺点。有源电力滤波器谐波电流的检测和补偿电流的产生与控制是决定有源电力滤波器工作特性的关键性环节，直接影响到有源电力滤波器的补偿精度和补偿速度，因此研究谐波和无功电流的实时、高精度检测具有非常重要的意义。

谐波的研究具有重要意义，首先是谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。其次，谐波研究的意义还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波是―绿色‖的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施―绿色电力电子‖的呼声也日益高涨。目前，对地

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球环境的保护己成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的抑制也己成为电工科学技术界所必须解决的问题。在国际上，许多国家都先后对电网中的电压畸变，各次谐波电压、谐波电流的数值、测量方法及非线性负荷的管理等制定了相应规定来加以严格限制。我国过去对电网中的谐波问题未加重视和研究。但是近年来由于电气化铁路的大量出现，以及可控硅整流装置的广泛应用，不少电网中的高次谐波含量的数值己大大超过了国际上公认的标准。据我国电力科学院系统研究所对西南、西北、华中、华北等地区重点电网测试的结果来看，我国电网的谐波污染己很严重。为了更好的采取措施对电网谐波含量加以限制，必须具有相应的监测手段。为此，除了引进发达国家研制的谐波监测仪器外，还应当研究符合我国电网现状的谐波分析方案，以提高电网谐波监测分析水平，这对于抑制高次谐波含量是十分必要和有价值的。

最近十几年间，对电力系统谐波问题的研究，己经超出了电力系统自身的研究范围。渗透到了数字信号处理、计算技术、.系统仿真、通信理论、电力电子学、网络理论和非线性系统理论等其它学术领城。同时，电力系统谐波问题己经受到了世界各国经济、行政管理部门的重视，不少国家己先后制定了限制电力系统谐波的标准，其中也包括一些限制和管理措施。如许多国家相继颁发了限制带有电子控制器件的家用电器和低压电器产生谐波的标准。国际电工委员会〔IEC)、电气和电子工程师协会(IEEE)等国际学术机构，也成立了专门的电力系统谐波工作组，在世界范围开展包括制定标准和定期召开国际学术会议等项内容的工作。尽管近十几年来，对电力系统谐波问题的研究取得了很大进展。在学术上还有许多问题需要人们去研究解决、在解决这些问题的同时，才能真正谈其制定合适的法规或标准来限制和管理电力系统的谐波，并对其进行有效的抑制，这些问题可归纳为:如何从器件(如:变压器和其它电磁路件、换流器、特别是各种电力电子器件等)的角度出发去分析和理解谐波产生的原因:如何利用先进的信号分析设备、数字仪器、智能仪表等对谐波的幅值和相位进行准确的测量;如何利用网络分析方法对谐波分布进行分析，如何建立模型和进行数字仿真;如何从谐波角度去衡量电能的质量。通过对这几方面问题的研究，将会导致新技术乃至新的边缘分支学科地诞生。

谐波测量作为研究分析谐波问题的出发点和依据，其主要作用有：

(1)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平(包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量)是否符合标准的规定。

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(2)对电气设备调试、投运时的谐波进行测量。如发电机、变压器、线路、电抗器及电容补偿装置等投运前、后的谐波水平及其变化。检验谐波对有关设备的影响，确保设备投运后电力系统和设备的安全经济运行。

(3)谐波故障或异常原因的测量。通过对谐波故障或异常原因的测量和分析，寻找主要谐波源，采取相应的对策，避免对设备的破坏和损耗。

(4)谐波专题检测。为了分析、研究及工程技术上的需要进行专题性的特殊实验。如谐波源特性，系统谐波阻抗，谐波潮流，谐波谐振和放大等。

(5)由于现代用电设备对供电质量的要求越来越高，谐波带来的影响越来越受人关注，因此，为了最大限度的减少谐波影响，谐波抑制及补偿装置的研制已势在必行。

这些装置准确实用有效的运行，从而达到理想的抑制和补偿效果，显然都是以精确实时的确定谐波的成分、幅值和相位等谐波检测结果为前提的。

1.2 国内外谐波检测方法

1.2.1主要谐波检测方法分析

目前用于电力系统中的谐波检测方法主要有以下几种： （一）模拟带通(或带阻)滤波器的谐波测量

最早的谐波测量是采用模拟带通(或带阻)滤波器实现。此方法采用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。该检测法的优点是结构简单，造价低，输出阻抗低，结果易于控制。该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗；当需要检测多次谐波分量时，实现电路变得复杂，其电路参数设计难度也随之增加。 （二）基于傅立叶变换的谐波检测

随着计算机和微电子技术的发展，基于傅立叶变换的谐波检测是当今应用最多也是最广的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此方法

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测量谐波精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间延时，检测结果实际是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。而且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量精度的要求，必须对算法进行改进，以达到要求值。 （三）基于瞬时无功功率的谐波检测与分析

1989年，日本学者H.Akagi等人提出瞬时无功功率理论，根据此理论可以得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，将其分解为交流和直流，其交流部分对应于谐波电流，由此可以计算谐波分量。基于p?q法、ip?iq法能够准确测量对称的三相三线制电路谐波值。它不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效;而在电网电压畸变时，使用此法测量谐波存在较大的误差。由于此理论基于三相三线制电路，必须 首先构建三相电路才能进行谐波测量。这两种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分里(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单，并且延时少，虽说被测量对象电流中谐波构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期，对于电网中最典型的谐波源---三相整流器，其检测的延时约为1/6周期。可见，该方法具有很姆的实时性。但硬件多，花费大。针对此方法的缺点，有学者提出一种能适用于任意非正弦、非对称三相电路的基于dp0坐标系下广义瞬时无功功率的新理论的测量方法。该方法较好地解决了前两种方法中存在的问题，但在目前条件下，由于耗费大，采用这种方法相比之下是得不偿失的。 （四）利用小波分析方法进行谐波检测

小波分析(wavelet Analysis)作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果，它无论是对数学还是对工程应用都产生了深远的影响，小波分析己经广泛应用于数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。作为一种时---频分析理论，小波分析被认为是傅立叶分析发展的新阶段，它来自于傅立叶分析，其存在性的证明依赖于傅立叶分析，因此它不能代替傅立叶分析，但它所具有的优良特性(如方向选择性、可变的时频域分辨率及分析数据量小等)是其它分析方法(傅立叶分析、快速傅立叶变换)无法比拟的。这些良好的分析特性使得小波变换已成为信号处理的一种强有力的新工具。小波分析克服了傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显表现出高频、奇异高次谐波的特性，特别是小波包具有将频率空

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