諧波抑制多諧波源的諧波技術分析

白 偉

（運城職業技術大學 山西 運城 044000）

1 引言

在智能電網的不斷發展和普及下，通過利用多諧波源諧波技術，為最大限度地提高電力系統的運行性能產生積極的影響，不僅可以從根本上解決電力系統的波形畸變問題，還能提高電力電子裝置的運行性能，為解決電網諧波三相不平衡現象提供重要的技術支持[1]。因此，為了保證諧波抑制效果，如何科學地分析和應用多諧波源的諧波技術是技術人員必須思考和解決的問題。

2 諧波的危害

諧波的出現通常會對整個電網產生極大的危害，其危害主要體現在以下幾個方面：（1）當導體內部流入相應的諧波電流時，很容易出現附加損耗現象，追根究底，集膚效應的出現導致交流電阻與交流頻率之間存在以下關系，即前者隨著后者的上升而呈現出不斷上升的趨勢。所以，一旦出現諧波電流現象，將會增加損耗嚴重程度。此外，諧波的出現在某種程度上會導致鐵介質磁場出現嚴重的鐵耗現象，同時，在交流頻率的不斷增加下，這種作用會變得越來越明顯，嚴重影響了設備的使用壽命。（2）在某一基波位置處，諧波電壓一旦出現嚴重疊加現象，導致絕緣介質應力大幅度上升，使得絕緣老化效率不斷加快，進而縮短了設備的使用壽命。（3）諧波的出現除了直接影響電纜、換流設備的運行性能外，還對通信線路的內部信號產生了一定的干擾作用，此外，還會引發周圍環境的電磁兼容問題。由此可見，諧波具有較高的危害性，給整體電網運行產生了不良的影響。

3 抑制諧波的傳統方法

比較常用的抑制諧波傳統方法主要包含以下兩種，一種是加裝無源濾波器，另一種是加裝有源濾波器，這兩種方法均在抑制諧波方面發揮出一定的作用，現對這兩種方法進行全面介紹，便于后期對多諧波源利用諧波抑制諧波原理的理解和應用。

3.1 加裝無源濾波器

無源濾波器內部主要包含電容器等多種無源器件，與所補償的非線性負載之間存在著密切的并聯關系，它的出現和使用除了可以為諧波提供一個穩定、可靠的低阻通路外，還能根據負載特點，提供與之相對應的無功功率。盡管無源濾波器在實際使用中，表現出結構簡單、操作方便等特點，但是，也存在一定的缺陷問題。如：濾波特性對系統參數設置情況產生一定的依賴關系；僅僅用于對特定諧波的有效消除，無法實現對全部諧波的消除，增加串聯諧振或者并聯諧振風險，導致單次諧波程度不斷加大，容易引發濾波器過載現象等。

3.2 加裝有源濾波器

1969年，Bird和Marsh等人首次提出了諧波成分，該諧波成分除了可以向電網中多次注入相應的諧波電流外，還能削弱電源系統性能，這就是著名的“電力有源濾波器”現象。1976年，某位學者首次提出有源濾波器（簡稱“APF”），APF作為一種常用的波形發生器，主要利用相關算法，對諧波電流變化情況進行科學、有效的分析和檢測，經過檢測發現，負荷側諧波電流與諧波、電流方向相反、大小相同，從而起到一定的補償作用。20世紀80年代，隨著全控型功率器件不斷改進和發展，其結構變得越來越穩定、成熟。隨著脈寬調制控制技術的不斷發展和普及，通過利用瞬時無功功率相關理論，可以實現對諧波電流的精確化、全面化檢測和分析，從而促使APF得以快速發展和普及。與無源濾波器相比，有源濾波器主要包含以下兩個特性，一個是高度可控制特性，另一個是快速響應特性。同時，通過利用有源濾波器，可以實現對多次諧波無功功率的有效化跟蹤和補償，其特性表現出一定的穩定性，不會被系統所影響。對于無諧波而言，經常出現放大風險，具有體積重量小等特點，但是，全控型功率器件存在生產成本低、重量輕等特點，會對有源濾波器的應用效果產生不良的影響。目前，有源濾波器在日本得以有效推廣和普及。此外，通過利用混合濾波方法，可以對兩種不同的濾波器應用優勢進行有效分析和兼顧，以達到取長補短的作用，從而最大限度地提高整個濾波裝置的性價比，從而贏得更多用戶的喜愛和青睞。

4 多諧波源利用諧波抑制諧波的原理

從有源濾波器的應用原理可以看出，通過借助多諧波源，可以實現對諧波的精確化、科學化抑制。在這個過程中，看借助所輸入的特定諧波，將非正弦諧波進行優化和改進，同時，還要根據頻譜的穩定性，借助干擾抵消器，對諧波進行抑制處理，此外，對于多諧波源而言，內部的非線性負荷不同，所對應的諧波電流也存在一定的差異，為此，技術人員要依據多諧波源的“相互抵消”原理，對諧波的投切時間進行科學調整和控制，確保各類非線性負荷所形成的諧波可以實現大規模抵消，為保證諧波抑制效果，降低諧波危害打下堅實的基礎。此外，還要利用有源濾波器的“抵消”原理，對其投入時間和切入時間進行科學化控制和調整，確保非線性負荷所形成的諧波量被最大化地抵消，使得諧波危害降到最低。為了更好地驗證該原理的可靠性和有效性，技術人員要在科學構建Matlab環境的前提下，搭建相應的系統模型，該模型內部含有大量的非線性元件，以實現對該原理的有效驗證。

5 多諧波源諧波技術分析

5.1 快速獨立分量分析算法原理

通過利用多諧波源諧波技術，可以實現對諧波互信息特征的全面化、完整化提取，在對諧波互信息特征進行提取期間，技術人員要重視對獨立分量分析算法原理的應用。電力系統自身往往會形成大量的諧波[2]，導致整個系統的運行方式表現出一定的隨機性、復雜性和不穩定性，從而形成大量的諧波信號，這些諧波信號主要由以下幾個部分組成，分別是基波、間隙波、諧波等。諧波源不同，所形成的電流頻率和電量相位也存在一定的差異。為此，提出一種快速獨立分量分析算法[3]，該算法原理如下：通過采用分離檢測的方式，對諧波電流頻率進行科學檢測，一旦發現信噪比不斷降低時，需要嚴格按照如圖1所示的諧波檢測過程，精確地計算出諧波所對應的最大誤差，以達到提高諧波檢測精確度的目的。

圖1 諧波檢測過程

5.2 多諧波源諧波互信息特征提取方法

諧波互信息特征可以真實、形象地反映出高維數據特征，這是由于這兩種特征具有一定的相通性，因此，技術人員要重視對諧波互信息特征的提取和應用，進一步提高多諧波源諧波電流頻率分析結果的精確性和真實性。此外，通過借助多個諧波源之間的相互作用，可以將諧波危害降到最低。當配電網所對應的諧波電壓頻率是未知的，可以借助諧波電壓采樣矩陣，精確地計算和統計諧波電流幅值。此外，當諧波電流幅值和初相角兩個參數始終保持一致時，諧波電流頻率會隨著時間的不斷延長而呈現出不斷上升的趨勢，對于行元素而言，主要與諧波電流幅值之間存在一定的正相關關系。

5.3 矩陣降維取秩判斷諧波互信息

在應用多諧波源諧波技術期間，為了保證諧波互信息特征的精確化提取，技術人員要采用矩陣降維分析法，以實現對諧波互信息的精確提取和分析，矩陣所對應的行元素和列元素具有較高的互信息性，可以實現這些諧波互信息的相互抵消。諧波電壓在實際的采樣中，需要借助矩陣，直接抵消處理電壓采樣值，此外，諧波源類型不同，所對應的電流頻率、電流幅值、電流相角等參數也存在一定的差異，為了保證諧波相互抵消效果，降低諧波危害，實現對諧波的有效抑制，技術人員要根據諧波電流頻譜特性，將諧波電流頻率與其幅值進行一一對應，從而解決諧波危害問題。在此基礎上，還要采用奇異值分解法，精確地求解出矩陣所對應的有效秩，只有這樣，才能精確地判斷和計算出諧波源的個數。另外，還要充分利用諧波互信息，對相關數據進行精確描述，從而得出諧波電流頻率、電流幅值、電流相位等參數，當多個不同的諧波源出現相互作用和影響后，可以將諧波互信息視為多個量的重復疊加，然后，對矩陣進行一系列的初等變換，同時，對降維處理后的矩陣元素進行不斷疊加處理，并對其求和，以保證諧波計算結果的精確性和真實性。由此可見，為了最大限度地降低諧波源的不確定性，技術人員要全面分析和把控諧波狀態，為后期科學地優化和改進濾波器提供重要的依據和參考。

6 多諧波源諧波技術在電力系統中的應用實例

現以“某供電局10 kV配電網”為例，對本文所提出的諧波信息特征提取方法的可行性和有效性進行驗證。首先，采用輻射的方式[4]，向電力系統提供源源不斷的電能，同時，將系統基準容量設置為99 MV·A，通過借助三相三線制作方式，將額定頻率控制為49 Hz，所使用接線方式主要包含以下兩種，一種是放射狀接線，另一種是環式狀接線，10 kV電力系統運行圖如圖2所示，從圖2中可以看出，該配電網內部網絡結構呈現出混合狀態，一旦出現諧波潮流現象，將會直接影響整個電網性能[5]，為此，通過利用MatIab/PoweSimulink仿真平臺，構建多種不同類型多諧波源諧波仿真數學模型，并對電力系統運行情況進行仿真分析。

圖2 10 kV電力系統運行圖

多諧波源通常會形成一定的諧波相互作用，導致研究對象出現不確定性大、特征多樣復雜、關聯耦合現象嚴重等問題。針對多諧波源所對應的諧波電流矢量，精確地計算出各個諧波源在單獨運行時所形成的諧波電流，當諧波源數量不斷增加時，諧波電流之間相互抵消可能性不斷增加，這就導致相互抵消效果變得更加明顯。本文重點分析和研究了配電網典型多諧波源，該諧波源主要包含以下三種母線[6]，分別是母線6、母線11、母線12，多諧波源所形成的諧波在以上三種母線上均會產生相互影響機理，然后，在全面采樣多諧波源諧波電流的基礎上，對母線7所對應的諧波源諧波互信息進行自動化提取，對于配電網而言，一旦其多諧波源母線6出現不確定諧波，需要借助相關變壓器，對諧波進行多次處理[7]，同時，還要將母線12設置為電力負荷裝置，該裝置具有一定的非線性特點[8]，此外，還要利用母線11所對應的分布式發電電源，根據電力設備的使用需求，向電力系統提供海量的諧波。另外，技術人員要根據如表1所示的線路相諧波電流有效值，將母線6、母線11、母線12的基波電流有效值分別設置為210.659 A、389.693 A、258.465 A。

表1 線路相諧波電流有效值

通過利用GB/T14549—93電網諧波所對應的諧波限值，發現當配電網所對應的電壓等級達到10 kV時，電壓總畸變率較低，低于4%，此外，當奇次諧波所對應的畸變率小于3.2%時，整個配電網多諧波源所形成的諧波含有大量的奇次諧波[9]，奇次諧波所對應的污染次數分別為3、5、7、11、13、15，此時，電力系統所含有的奇次諧波出現嚴重超標現象，為此，需要采用獨立分量分析法，對多諧波源諧波電流進行一系列采樣，以實現對多諧波源諧波互信息特征的全面化、完整化提取。在此基礎上，還要利用MatIab/PoweSimulink仿真平臺，完成對多諧波源諧波電流波形圖的繪制[10]。由此可見，本文所提出的諧波互信息特征提取方法具有較高的可靠性和可行性，可以實現諧波問題的精確化控制和處理。

7 結語

綜上所述，通過將多諧波源諧波技術科學應用于電力系統中，不僅可以保證系統諧波抑制效果，還能實現對諧波互信息特征的快速化提取，同時，還能精確地計算諧波相互交互后最終諧波值，為實現對電網質量的自動化控制提供有力的保障。本次研究所獲得的結論如下：①通過將奇異值分解法與快速獨立分量分析法進行充分結合，可以實現對諧波互信息特征的科學化、規范化提取，同時，通過借助互信息梯度的靈活性特征，可以確保諧波函數向非線性方向不斷轉化，便于后期諧波互信息特征分析和提取工作的有效開展，另外，通過采用仿真分析的方式，對本文所提出的提取方法進行驗證，發現該方法具有一定的正確性、規范性。此外，通過利用本文所提出的算法，可以有效地解決傳統算法存在的運算性能低下等問題，實現對源信號頻率的穩定化、科學化分離以及源信號幅值和相位的精確化預估。②多諧波源不同，所對應的諧波互信息特征存在一定的差異性，為此，通過全面地分析和研究其諧波互信息特征，可以確保諧波經過相互交互后，保證諧波計算結果的精確度和真實性，實現對濾波裝置自動化控制發揮重要作用。由此可見，多諧波源諧波技術憑借著自身的獨特優勢，被廣泛應用于電力系統設計領域中，有效地解決電力系統內部諧波危害問題，為促進電力行業的健康、可持續發展提供有力的保障。