配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補(bǔ)償抑制研究

曾朝陽

摘 要：在電路傳輸中，配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補(bǔ)償抑制是重要的研究內(nèi)容，做好配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補(bǔ)償抑制，是提高電力傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵。在對(duì)負(fù)載結(jié)構(gòu)的研究分析中發(fā)現(xiàn)，由于頻爐的特性，相橋式整流電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)為6k±1（k為正整數(shù)）特定次諧波，在過去的模擬電路信號(hào)采集中無法直接分離特定次諧波分量，直至數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展和傅里葉算法的提出才使之成為可能。據(jù)此對(duì)DFT和FFT進(jìn)行了分析，并將改進(jìn)后的FFT算法應(yīng)用于配電網(wǎng)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：諧波 有源濾波器 檢測 補(bǔ)償 抑制研究

中圖分類號(hào)：TM5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0001-02

1 諧波的來源、危害及補(bǔ)償技術(shù)

1.1 諧波的來源

社會(huì)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)社會(huì)需求，社會(huì)需求推動(dòng)科技發(fā)展，科技發(fā)展應(yīng)用于生產(chǎn)生活，與電力相關(guān)的電子設(shè)備大量的應(yīng)用，導(dǎo)致了大量的諧波污染，降低了電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能質(zhì)量。諧波的產(chǎn)生從根本上來說就是能量轉(zhuǎn)換不完全、不穩(wěn)定導(dǎo)致的，按電能輸送階段不同可由以下3個(gè)原因產(chǎn)生。

（1）在輸送端電源側(cè)，由于發(fā)電電源自身三相繞組的構(gòu)造或其他原因?qū)е碌模嗬@組不存在絕對(duì)的平衡，造成電能初始就夾雜諧波分量；新能源的利用，采用分布式電源接入配電網(wǎng)帶入諧波分量。

（2）電源輸送中，為了減少電能損耗，采用升壓方式從電源側(cè)升壓降壓過程中經(jīng)過變壓器線圈能量轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生。

（3）配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)，非線性負(fù)載的使用產(chǎn)生大量的諧波：重工業(yè)生產(chǎn)中采用大量的高能耗電弧爐、變頻調(diào)壓裝置；高速發(fā)展的電氣化鐵路采用的單相交流整流動(dòng)力的車體；在居民家用電器中，大量使用的電冰箱、變頻式空調(diào)、智能式自動(dòng)洗衣機(jī)、微波爐、電烤箱等等。

1.2 諧波的危害

電網(wǎng)系統(tǒng)諧波的存在，嚴(yán)重降低了電能質(zhì)量，影響生活生產(chǎn)對(duì)電力的使用。其危害主要有以下幾個(gè)方面。

（1）諧波對(duì)電力輸送造成的危害。

利用集膚效應(yīng)節(jié)省線路材料、降低電能損耗的原理來進(jìn)行電能輸送。當(dāng)線路中存在大量的諧波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多余的有功損耗。相比較基波電流，雖然諧波分量只占了少量，但是由于集膚效應(yīng)，頻率越高，諧波分量越靠近線路表層，造成諧波電阻高于基波電阻，因此諧波所引起的額外線損也不可忽視。

（2）諧波對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的影響。

目前電能計(jì)量逐步采用智能電表，諧波將會(huì)造成保護(hù)裝置的誤動(dòng)或者拒動(dòng)，并使測量分析儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差，不利于實(shí)時(shí)采分析數(shù)據(jù)。

（3）諧波對(duì)電機(jī)和變壓器的危害。

電機(jī)與變壓器其主要構(gòu)成部分是銅制線圈及鐵芯，諧波在能量轉(zhuǎn)換中是多余的存在，造成變壓器附加損耗，增加設(shè)備的運(yùn)行壓力，影響設(shè)備內(nèi)部穩(wěn)定。高次諧波經(jīng)過電機(jī)與變壓器時(shí)，會(huì)引起設(shè)備的局部過熱，產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲，當(dāng)設(shè)備長時(shí)間處于高次諧波運(yùn)行狀態(tài)下，將加速設(shè)備的老化，降低其絕緣性，影響設(shè)備的使用壽命，出現(xiàn)不可預(yù)知的事故。

（4）諧波對(duì)通信系統(tǒng)的干擾。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測及控制電網(wǎng)系統(tǒng)，當(dāng)前的網(wǎng)架建設(shè)對(duì)于電力通信系統(tǒng)的精密性有很高的要求。電流附近存在電磁場，若通信線路與線路中的諧波分量產(chǎn)生了能量聯(lián)系，將會(huì)造成通信信號(hào)畸變，伴隨嚴(yán)重的噪聲；目前配電網(wǎng)中10kV線路，村莊居民通信線路同桿架設(shè)，配電網(wǎng)中的諧波分量會(huì)干擾通信信號(hào)，產(chǎn)生噪聲，嚴(yán)重時(shí)使信號(hào)失真或丟失，使得居民通信系統(tǒng)無法正常工作。

1.3 諧波抑制補(bǔ)償技術(shù)

（1）主動(dòng)型諧波抑制技術(shù)：主動(dòng)型諧波抑制技術(shù)針對(duì)諧波源，改變其構(gòu)造，從根源減少諧波的產(chǎn)生。在主動(dòng)型諧波抑制技術(shù)上的應(yīng)用，雖然還不能將諧波完全消除，但是在某些領(lǐng)域已經(jīng)得到嘗試，并取得了成功。例如在重型工業(yè)領(lǐng)域，整流器大量使用平滑波形達(dá)到減少諧波的目的；三相整流變壓器則采用改變內(nèi)部接線的方式（Δ/Y或者Y/Δ的接線），直接消除3的整數(shù)倍次諧波；采用PWM脈沖調(diào)制方式，在所需的頻率周期內(nèi)，將交流電壓按照等幅不等寬的原則轉(zhuǎn)化為直流輸出來實(shí)現(xiàn)抑制諧波的目的。

（2）被動(dòng)型諧波抑制技術(shù)：被動(dòng)型諧波抑制技術(shù)分為有源濾波與無緣濾波技術(shù)，當(dāng)前這兩種技術(shù)都普遍被采用，主流趨勢是采用效果更好的有源濾波技術(shù)。無緣濾波主要是利用電容電感原件的諧振特性來達(dá)到消除諧波的效果，這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來硬件結(jié)構(gòu)簡單，投資相應(yīng)較少，諧波理論研究初期主要采用該方式，這種方式受硬件約束，固定不變，不能很好的隨電網(wǎng)實(shí)際動(dòng)態(tài)來消除諧波，在諧波與硬件系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)容易燒毀設(shè)備，造成事故；有源濾波硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在數(shù)字控制技術(shù)、導(dǎo)體控制材料技術(shù)與電子芯片的飛速發(fā)展中，結(jié)合軟件驅(qū)動(dòng)，很好的達(dá)到了動(dòng)態(tài)消除諧波的目的。這種濾波方式結(jié)合不同的控制及檢測算法能達(dá)到很好的效果，其補(bǔ)償效果精確、有效，缺點(diǎn)就是成本高。

2 配電網(wǎng)中諧波監(jiān)測

2.1 特定次諧波的監(jiān)測及傅里葉算法原理

傅里葉檢測算法的前提條件：信號(hào)能以連續(xù)形式呈現(xiàn)出來并能由檢測系統(tǒng)捕捉采集到，無論波形如何都可以分解為不同頻率數(shù)個(gè)正弦波的疊加信號(hào)。傅里葉算法實(shí)質(zhì)上就是將這些不同頻率的疊加信號(hào)根據(jù)正弦波特性拆分出來，以頻率為序?qū)⒄也ㄖ匦屡帕校又庇^的看出頻率、幅值及相位。

傳統(tǒng)傅里葉檢測算法的基本原理：在信號(hào)采集電路中，設(shè)定固定頻率的脈沖控制采集周期，將采集到的模擬信號(hào)離散化處理為數(shù)字量，將檢測到的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)傅里葉定義表示各次諧波的頻率、相位及幅值。

2.1.1 FFT檢測法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

將離散傅里葉（DFT）原理應(yīng)用在信號(hào)分析中，具有重大的意義。在研究分析過程中，傅里葉算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)在頻域范圍內(nèi)頻譜的估計(jì)和觀察分析，為信號(hào)后續(xù)處理做出重要的基礎(chǔ)。對(duì)于多點(diǎn)的信號(hào)檢測，傅里葉（DFT）算法缺陷十分明顯，每增加一個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算量將會(huì)多2N+2次復(fù)數(shù)乘法和2N-2次負(fù)數(shù)加法；換種解釋，計(jì)算N個(gè)點(diǎn)，需要N2復(fù)數(shù)乘法以及N2-N次復(fù)數(shù)加法。在采樣計(jì)算少數(shù)點(diǎn)的情況下，無多大影響；在采樣點(diǎn)增加到一定數(shù)值的時(shí)候，計(jì)算量會(huì)幾何倍數(shù)增長，對(duì)于芯片運(yùn)算能力要求更高，且使得檢測結(jié)果由于時(shí)效性變得無意義。endprint

2.1.2 FFT的物理特性

在進(jìn)行物理研究時(shí)，波形基本以正弦波為基礎(chǔ)單位，它相對(duì)簡單且組合特性較強(qiáng)。

（1）信號(hào)分析特性分析：離散形式的傅立葉的物理系統(tǒng)內(nèi)，由于頻率不變的性質(zhì)，系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜激勵(lì)的響應(yīng)可以通過組合其對(duì)不同頻率正弦信號(hào)的響應(yīng)來獲取。

（2）運(yùn)算：在微分中就運(yùn)算中基本函數(shù)為正弦基函數(shù)，可以將線性微分方程的運(yùn)算過程轉(zhuǎn)換為常系數(shù)的代數(shù)方程的求解。

（3）算法特性：傅立葉變換是線性算子，在特定情況下還是酉算子。

（4）正反運(yùn)算的關(guān)系：傅立葉變換的逆變換容易求出，而且形式與正變換非常類似。

2.2 基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波檢測法

根據(jù)對(duì)檢測結(jié)果要求的不同可以分別以精確性或者實(shí)時(shí)性為主，來采用相應(yīng)的檢測算法。若對(duì)后續(xù)諧波需進(jìn)行補(bǔ)償，或者進(jìn)行特定研究，大致分為兩種：針對(duì)特定次諧波研究分析或者進(jìn)行補(bǔ)償和補(bǔ)償所有諧波。前者在運(yùn)算中在算出諧波后，根據(jù)需要進(jìn)行篩選分析，設(shè)備補(bǔ)償使用中，補(bǔ)償效果更確定；后者作為一種全補(bǔ)償形式需要傻瓜式運(yùn)算，控制可控半導(dǎo)體進(jìn)行逆變補(bǔ)償，縮短了設(shè)備使用的壽命。

前者主要采用FFT算法進(jìn)行分析研究，電網(wǎng)中電流信號(hào)具有周期性，滿足FFT運(yùn)算前提條件；后者主要采用瞬時(shí)無功功率算法進(jìn)行運(yùn)算分析，方便與補(bǔ)償控制理論組合進(jìn)行諧波補(bǔ)償。兩種算法進(jìn)行簡單比較，可以發(fā)現(xiàn)：瞬時(shí)無功功率算法在總的補(bǔ)償過程中精確度和實(shí)時(shí)性更加平均；FFT算法更具針對(duì)性，直接顯示各次諧波的具體數(shù)值（幅值、相位和頻率），例如低壓配網(wǎng)中的三次諧波，大量的三次諧波足以燒斷中性線；電氣化鐵路中，采用特定次諧波對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障識(shí)別等等，F(xiàn)FT檢測算法不可缺少。

2.3 FFT改進(jìn)算法

柵欄效應(yīng)，也稱柵欄現(xiàn)象，電流信號(hào)的連續(xù)模擬量可以看做按一定時(shí)序的無數(shù)數(shù)字量組成，在采集周期頻率確定的情況下，有可能造成采集的數(shù)值是不需要的或者沒有采集到實(shí)際需要分析的數(shù)字量。簡單地說，就像有障礙物遮擋視線，失去觀察視角，看不見特定的景象。頻域中直接采樣，柵欄效應(yīng)更加明顯，甚至造成電流信號(hào)的失真，使檢測結(jié)果變得沒有意義。因此FFT檢測算法先在時(shí)域中進(jìn)行采樣，再轉(zhuǎn)為頻域分析來減少柵欄效應(yīng)的影響。

弄清楚了柵欄效應(yīng)的概念，很容易想到最基本的解決方法：提高采樣頻率，即分辨力，最大程度上減少關(guān)鍵采樣點(diǎn)的遺漏。但是這種思路，同時(shí)增加了計(jì)算工作量。如何平衡解決柵欄效應(yīng)和計(jì)算量的矛盾，是FFT檢測算法的關(guān)鍵之一。

3 配電網(wǎng)諧波補(bǔ)償控制

3.1 基于瞬時(shí)無功功率諧波檢測法

有源濾波器中檢測環(huán)節(jié)較多的采用基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測法，這種檢測方法細(xì)分為兩種：ip-iq法和p-q法。主思路都是在簡化計(jì)算量上采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，將三相電壓坐標(biāo)值經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)閮上郺、β坐標(biāo)，簡化了諧波的計(jì)算，該理論已經(jīng)在三相電路檢測電流中得到了應(yīng)用與證明。

3.2 控制方法

當(dāng)APF有源濾波器檢測電路，以ip-iq法檢測得到諧波電流后，控制APF補(bǔ)償電流發(fā)生電路，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的跟蹤補(bǔ)償電流指令信號(hào)，控制可控半導(dǎo)體開斷，逆變得到補(bǔ)償諧波。檢測環(huán)節(jié)已經(jīng)進(jìn)行仿真研究，這里控制環(huán)節(jié)由APF輸出補(bǔ)償電流的控制和APF直流母線的控制組成。

補(bǔ)償電流的控制：根據(jù)檢測到的諧波電流信號(hào)，采用特定的比較處理方式，跟蹤諧波電流信號(hào)，得到補(bǔ)償電流的PWM指令信號(hào)。實(shí)時(shí)控制逆變電路中可控半導(dǎo)體的通斷產(chǎn)生反相、幅值相位一致的補(bǔ)償電流信號(hào)。目前研究的控制方式主要有：滯環(huán)比較控制方式、無差拍控制方式、重復(fù)控制、三角波控制方式、空間矢量控制方式、滑模控制方式、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。本章主要在補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)主要采用三角載波控制比較方法。

（1）三角載波控制方法，三角載波控制：瞬時(shí)線性脈沖比較的控制方法。先將采集檢測到的電流實(shí)際信號(hào)與理論電流值進(jìn)行做差得到誤差控制信號(hào)，再與設(shè)定的高頻三角載波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，以交匯點(diǎn)處得到脈沖信號(hào)控制逆變電路可控半導(dǎo)體的控制信號(hào)，把△ic控制在最小范圍內(nèi)是這種控制算法的核心思路。

（2）直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制原理，直流側(cè)電壓控制也是有源濾波器關(guān)鍵技術(shù)之一，直流側(cè)電壓不加以控制，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓不穩(wěn)定，可能造成半導(dǎo)體控制開關(guān)功率器件或者直流側(cè)電容升溫、損壞，直流側(cè)電壓是產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流的電源基礎(chǔ)，為使逆變器正常工作，達(dá)到補(bǔ)償器所要求的補(bǔ)償效果，必須使直流側(cè)電容電壓維持足夠高以保證補(bǔ)償器在沒有輸出補(bǔ)償電流時(shí)各橋臂二極管的反向偏置，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)參考電流輸出所需的補(bǔ)償電流。有源濾波器要穩(wěn)定的運(yùn)行，必須要保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

（3）PI仿真分析，依據(jù)上述理論分析，對(duì)直流側(cè)PI閉環(huán)控制進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如下：

①直流側(cè)電源電容C取值為3000 μF，直流側(cè)電壓設(shè)定值為800 V；

②網(wǎng)側(cè)電壓Us取值為220 V；

③網(wǎng)側(cè)交流電路連接電感取值為2.5mH，APF的等效阻抗為0.3 Ω；

④有源濾波器實(shí)際直流側(cè)電壓，控制直流側(cè)電壓在限定范圍內(nèi)，ΔUdc通過PI后形成IP，設(shè)IP=KpΔUdc，當(dāng)ΔUdc=10 V時(shí)，IP=10Kp。

3.3 APF整體仿真實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中提出的電流控制方法的正確性和可行性，在仿真軟件matlab環(huán)境下對(duì)該方法進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

仿真系統(tǒng)器件的仿真參數(shù)為：

（1）系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)采樣頻率為9.6 KHz；

（2）電源電壓380 V，工頻50 Hz，系統(tǒng)總電阻為0.6 Ω，不計(jì)電抗；

（3）非線性負(fù)載：三相不控整流橋帶電阻負(fù)載，Rd=24 Ω；

（4）直流母線電壓設(shè)定值為1200 V，濾波電感為3 mH。

4 結(jié)語

該文圍繞著電力有源濾波器的一些關(guān)鍵技術(shù)包括諧波電流檢測、電流跟蹤控制、直流側(cè)電壓控制、主電路參數(shù)選擇等問題展開了研究和討論。針對(duì)目前電力有源濾波器有待完善一些關(guān)鍵技術(shù)和存在的一些問題，指出了有源濾波器將來的發(fā)展趨勢。對(duì)電力有源濾波器在補(bǔ)償過程中所有環(huán)節(jié)從理論進(jìn)行了詳細(xì)的研究分析，主要包括：瞬時(shí)無功功率檢測法、三角載波控制法以及直流側(cè)PI電壓穩(wěn)定法。以諧波補(bǔ)償抑制為目的，這里檢測階段采用瞬時(shí)無功功率檢測法進(jìn)行檢測，與補(bǔ)償控制算法相配合，得到精確度與實(shí)時(shí)性能更好的補(bǔ)償效果，給出了仿真結(jié)果。討論了功率器件、驅(qū)動(dòng)模塊的選擇，然后設(shè)計(jì)了硬件保護(hù)電路。最后論述了基于TMS320F2812平臺(tái)的控制部分的實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該文所設(shè)計(jì)的有源濾波器在諧波抑制方面的有效性。

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