關(guān)于電力系統(tǒng)中兩大諧波檢測(cè)法的比較分析

摘 要:由于非線(xiàn)性負(fù)載和各種換流設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)中諧波污染日益嚴(yán)重，補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波，改善供電質(zhì)量成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。而準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對(duì)電力系統(tǒng)諧波進(jìn)行檢測(cè)對(duì)其有著重要的意義。在此針對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)中運(yùn)用最廣的兩大諧波檢測(cè)法進(jìn)行了全面的分析比較，并提出了該方法的一些改進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng);諧波檢測(cè);傅里葉變換;瞬時(shí)無(wú)功功率

中圖分類(lèi)號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-205-02

Comparison and Analysis of Harmonic Detection in Electric Power System

JIANG Xuefeng，LI Jie，ZHANG Liwen，LU Yan，MA Chao，QIU Zhongcai

(Southwest Jiaotong University，Chengdu，614202，China)

Abstract:As the non_linear load and a variety of flow devices for a wide range of applications，the harmonic pollution in power system is becoming increasingly serious，compensation for power system harmonics and improving power quality has become the urgent need to be addressed.An accurate，real_time detection on the power system harmonic has its significance.The current power system in the two most widely used methods of harmonic analysis of a comprehensive comparison，and improved directions are proposed.

Keywords:electric power system;harmonic detection;Fourier transform;instantaneous reactive power

0 引 言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)諧波污染日益嚴(yán)重，已成為影響電能質(zhì)量的公害\\。諧波可使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低;使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀;同時(shí)可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器設(shè)備燒毀;諧波還會(huì)對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾等。這對(duì)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了極大的影響。另外諧波抑制及補(bǔ)償裝置到底需要補(bǔ)償多大的諧波，需要進(jìn)行怎樣的補(bǔ)償配置，以及需要達(dá)到怎樣的補(bǔ)償效果都是以諧波分析得到的結(jié)果為依據(jù)的。所以對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，確切掌握電力系統(tǒng)中諧波的實(shí)際狀況，對(duì)防止諧波危害，維護(hù)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行意義重大。

1 當(dāng)前電力系統(tǒng)中諧波電流檢測(cè)的兩大主要方法

1.1 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法

該法是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的一種諧波測(cè)量方法\\。它是根據(jù)離散傅里葉變換(DFT)過(guò)渡到快速傅里葉變換(FFT)的基本原理而構(gòu)成的。它通過(guò)模擬信號(hào)經(jīng)采樣，離散成數(shù)字序列信號(hào)后，經(jīng)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波分析和計(jì)算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得如諧波功率、諧波阻抗等信息，同時(shí)還可對(duì)諧波進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)和分析等。

但是這種方法存在著頻譜混疊、頻率分辨能力低、柵欄效應(yīng)及頻譜泄漏等問(wèn)題，使分析的信號(hào)參數(shù)(頻率、幅值和相位)不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無(wú)法滿(mǎn)足電力諧波測(cè)量要求。目前，對(duì)其的改進(jìn)方法有:利用加窗插值法\\、修正理想采樣頻率法\\、雙峰譜線(xiàn)修正算法\\、準(zhǔn)同步采樣法\\等。

1.2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法

日本學(xué)者赤木泰文等人于1984年首先提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法，最初它是以瞬時(shí)實(shí)功率p和虛功率q的定義為基礎(chǔ)，即p_q理論，后又補(bǔ)充定義了瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq等物理量，瞬時(shí)無(wú)功功率理論已逐漸完善。目前，它已是應(yīng)用最廣的一種檢測(cè)諧波電流方法\\。當(dāng)前主要有以下幾種方法:p_q法、p_q_r法、ip_iq法以及d_q法等。但這些方法都需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，且都需要低通濾波器。

2 兩大方法的分析比較

2.1 對(duì)各種基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法的分析比較

為了能更形象地進(jìn)行分析比較，在此進(jìn)行了列表比較，其特點(diǎn)比較如表1所示。

表1 各種基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)比較

檢測(cè)方法特點(diǎn)

利用加窗插值法通過(guò)加窗減小頻譜泄漏，通過(guò)插值消除柵欄效應(yīng)引起的誤差，可減少泄漏，有效地抑制諧波之間的干擾和雜波及噪聲的干擾，從而可以精確測(cè)量到各次諧波電壓和電流的幅值及相位。

修正理想采樣頻率法對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值，不需要添加任何硬件，實(shí)時(shí)性好，適合在線(xiàn)測(cè)量，但誤差稍大一些，只能減少50%的泄漏

雙峰譜線(xiàn)修正算法用距諧波頻點(diǎn)最近的兩根離散頻譜幅值估計(jì)出待求諧波幅值，同時(shí)用多項(xiàng)式逼近法獲得頻率和幅值修正的計(jì)算公式，能有效降低頻譜泄漏和噪聲干擾

準(zhǔn)同步采樣法能有效地抑制諧波對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響及減小未完全同步產(chǎn)生的誤差，獲得較高的測(cè)量精度

2.2 對(duì)各種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法的分析比較

諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)比較如表2所示。

表2 各種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)比較

檢測(cè)方法特點(diǎn)適用場(chǎng)合

p_q法沒(méi)有考慮零序分量，當(dāng)三相系統(tǒng)不平衡或有畸變時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果有較大誤差僅適用于三相三線(xiàn)平衡正弦電壓的供電系統(tǒng)

p_q_r法能夠檢測(cè)在三相不平衡情況下的諧波電流，通過(guò)重采樣可以減少計(jì)算量，以提高計(jì)算速度可適用于三相不平衡情況

d_q法實(shí)時(shí)性好，可檢測(cè)基波電流有功分量、無(wú)功分量和諧波分量，但對(duì)參數(shù)依賴(lài)性大適用于電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱(chēng)情況

ip_iq法能準(zhǔn)確地檢測(cè)對(duì)稱(chēng)三相電路的諧波值，實(shí)時(shí)性較好，在只需測(cè)量諧波時(shí)可省去鎖相環(huán)電路能適應(yīng)不對(duì)稱(chēng)電網(wǎng)和電壓波形畸變時(shí)的情況

2.3 對(duì)兩大方法的綜合性分析比較

兩大諧波檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合比較如表3所示。

表3 兩大諧波檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合對(duì)比表

檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場(chǎng)合

基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能多且使用方便存在著頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)等問(wèn)題，且實(shí)時(shí)性不好、精度不高適用于平穩(wěn)信號(hào)，不適于非平穩(wěn)信號(hào)

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法實(shí)時(shí)性較好，延時(shí)小，既能檢測(cè)諧波又能補(bǔ)償無(wú)功控制電路相對(duì)復(fù)雜，耗費(fèi)大，所需計(jì)算量較大適用于實(shí)時(shí)性要求不是非常高的

3 方法的改進(jìn)方向

在對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)中運(yùn)用最廣的兩大諧波電流檢測(cè)法進(jìn)行了全面的分析比較后，這里認(rèn)為其改進(jìn)方向有:

(1) 對(duì)于基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法首先應(yīng)該對(duì)其存在的頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行有效地控制盡可能地消除，然后應(yīng)該對(duì)其實(shí)時(shí)性和精度性進(jìn)行提高，最后應(yīng)該推廣其適用場(chǎng)合，使之同樣適用于非平穩(wěn)信號(hào)。

(2) 對(duì)于基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法應(yīng)該對(duì)其控制電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少其耗費(fèi)，同時(shí)應(yīng)該減少其計(jì)算量，進(jìn)一步提高其實(shí)時(shí)性。

(3) 對(duì)于當(dāng)前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]、小波分析法[10]都具有可以提高諧波測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度性的優(yōu)點(diǎn)，而基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法與基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的兩種主要方法，但它們的實(shí)時(shí)性和精度性還不是很好，對(duì)此可以使他們相互結(jié)合將其優(yōu)點(diǎn)更好地發(fā)揮。如將小波分析法與瞬時(shí)無(wú)功功率理論結(jié)合、小波分析法與傅里葉變換結(jié)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傅里葉變換結(jié)合或?qū)⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析同時(shí)與瞬時(shí)無(wú)功功率理論或傅里葉變換結(jié)合等。相信這樣檢測(cè)效果會(huì)更好。

(4) 對(duì)于它們還存在算法速度和準(zhǔn)確度不能兼顧的問(wèn)題，對(duì)此應(yīng)該運(yùn)用最優(yōu)化原理使算法速度和準(zhǔn)確度盡可能地同時(shí)達(dá)到最優(yōu)化。

(5) 有待于提高諧波監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)備的精度、速度和可靠性，使諧波監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析與控制目標(biāo)相結(jié)合，使測(cè)量與控制網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成一體化。

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)當(dāng)前電力系統(tǒng)中運(yùn)用最廣的兩大諧波電流檢測(cè)法進(jìn)行了全面的分析比較，并提出了其方法的一些改進(jìn)方向后，本文認(rèn)為:基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能多且使用方便的優(yōu)點(diǎn)，適用于平穩(wěn)信號(hào);基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法具有實(shí)時(shí)性較好，延時(shí)小，既能檢測(cè)諧波又能補(bǔ)償無(wú)功的優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)性要求不是非常高的場(chǎng)合。

對(duì)于基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法還有待于對(duì)其存在的頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)等問(wèn)題進(jìn)行有效地控制，并對(duì)其實(shí)時(shí)性和精度性進(jìn)行提高;對(duì)于基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法還有待于對(duì)其控制電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少其耗費(fèi)，同時(shí)應(yīng)該減少其計(jì)算量，進(jìn)一步提高其實(shí)時(shí)性。

應(yīng)該充分利用當(dāng)前研究出的新方法與當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的方法進(jìn)行結(jié)合，將其優(yōu)點(diǎn)更好地發(fā)揮。同時(shí)提高諧波監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)備的精度、速度和可靠性，使諧波監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析與控制目標(biāo)相結(jié)合，使測(cè)量與控制網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成一體化。

參 考 文 獻(xiàn)

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