電力系統(tǒng)諧波和無功電流檢測(cè)綜述
| [摘 要] 分析目前常用的電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測(cè)方法，指出了基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法延時(shí)小，實(shí)時(shí)性好；基于傅里葉快速變換的檢測(cè)法既可檢測(cè)諧波又可用于頻譜分析。 關(guān)鍵詞 諧波 檢測(cè) 瞬時(shí)無功功率 傅里葉快速變換 1 引言 當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成為電力系統(tǒng)的諧波源。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：含半導(dǎo)體的非線性元件，如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備；含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，這加劇了對(duì)電網(wǎng)的污染。這些非線性負(fù)荷引起電網(wǎng)波形畸變，產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。電網(wǎng)諧波使電能生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低；使電氣設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使其絕緣老化，使用壽命降低，甚至發(fā)生故障或燒毀；引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振；引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量精度下降。另外，諧波還會(huì)對(duì)通信和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。目前諧波、電磁干擾和功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。 為了有效補(bǔ)償和抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，首先必須精確檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波分量，諧波和無功檢測(cè)是進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。本文在介紹諧波的檢測(cè)和分析的傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了諧波和無功電流檢測(cè)的一個(gè)重要趨勢(shì)一一瞬時(shí)無功功率理論，即“p-q”理論。 2 諧波的檢測(cè)和分析方法 現(xiàn)有諧波檢測(cè)法按原理可分為：①模擬濾波器。②基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法。③基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法。④基于傅里口十變換的諧波檢測(cè)法。 2.1 模擬濾波器 模擬濾波器有兩種，一是通過濾波器濾除基波電流分量，得到諧波電流分量；二是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減得到諧波電流分量，其原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能濾除一些固有頻率的諧波。這種檢測(cè)方法誤差大，實(shí)時(shí)性差，電網(wǎng)頻率變化時(shí)尤其明顯；此外濾波器中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，這樣要得到理想的幅頻特性和相頻特性很困難，并且該方法也不能分離出無功電流。 2.2 基于Fryze功率定義的檢測(cè)方法 基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法其原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量，將其余分量作為廣義無功電流（包括諧波電流）。它的缺點(diǎn)是：因?yàn)镕ryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的，所以要求得瞬時(shí)有功電流需要進(jìn)行一個(gè)周期的積分，再加其他運(yùn)算電路，要有幾個(gè)周期延時(shí)。因此，用這種方法求得的“瞬時(shí)有功電流”實(shí)際是幾個(gè)周期前的電流值。 2.3 基于頻域分析的FFT變換檢測(cè)方法 利用FFT變換來檢測(cè)電力諧波是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本過程是對(duì)待測(cè)信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。該方法檢測(cè)精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能多且使用方便，在頻譜分析和諧波檢測(cè)兩方面均得到廣泛應(yīng)用。但計(jì)算量大，因而實(shí)時(shí)性不夠好。對(duì)非整數(shù)次諧波的檢測(cè)有頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺點(diǎn)，從而使檢測(cè)出的諧波幅值、相角和頻率有誤差。泄漏誤差來自兩方面，一是信號(hào)負(fù)頻分量引入的長(zhǎng)范圍泄漏；二是窗扇形損失引入的短范圍泄漏。提高其檢測(cè)精度的關(guān)鍵在于減小泄漏和其他誤差，通常用加窗算法、插值算法、雙峰譜線修正算法解決。 2.4 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法 瞬時(shí)無功功率理論，即“p-q”理論，是1983年由赤木泰文提出，是以瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q的定義為基礎(chǔ)。以該理論為基礎(chǔ)，對(duì)三相電路的諧波和無功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，在檢測(cè)諧波、無功電流方面得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)功率理論中的有功功率、無功功率等都是定義在平均值基礎(chǔ)或相量意義上的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況，而瞬時(shí)無功功率理論中的概念，都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波的任何情況。它的基本原理是將三相坐標(biāo)x、y，z中的電壓和電流轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)α、β、中，然后在兩相坐標(biāo)系中分別計(jì)算瞬時(shí)有功功率和無功功率，再根據(jù)計(jì)算得到的瞬時(shí)有功電流和無功電流，計(jì)算出三相電路中的諧波電流和無功電流。 首先對(duì)電流進(jìn)行park變換，將三相的旋轉(zhuǎn)電流轉(zhuǎn)換到dq0系統(tǒng)中。設(shè)三相電路中各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。將它們變換到α－β兩相正交的坐標(biāo)系上，可以得到α－β坐標(biāo)系上的兩相瞬時(shí)電壓和電流。式（1）和式（2）分別是電壓和電流的變換式  式中，G32是三相到兩相的坐標(biāo)變換陣。在瞬時(shí)功率理論中，對(duì)于諧波和無功功率的計(jì)算分別有有功瞬時(shí)功率p、無功瞬時(shí)功率q運(yùn)算方式和ip、iq運(yùn)算方式兩種方法。對(duì)于三相三線制電路，如果電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，兩種運(yùn)算方式都能準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波和無功電流。但如果電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，p、q運(yùn)算方式對(duì)諧波和無功電流的檢測(cè)結(jié)果都有誤差，而ip、iq運(yùn)算方式不受電網(wǎng)電壓波形畸變的影響，檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。Ip、iq方式的運(yùn)算式為  在該方法中，需要用到與a相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號(hào)sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cosωt，它們由一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到。ip、iq，運(yùn)算方式檢測(cè)三相諧波電流的原理圖如圖所示。  瞬時(shí)無功功率原理簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、延時(shí)小。盡管不同的諧波源和濾波器其延時(shí)不同，但延時(shí)最多不超過一個(gè)電源周期，對(duì)三相整流器諧波源檢測(cè)的延時(shí)僅為1／6周期?？梢娫摲▽?shí)時(shí)性較好，既能檢測(cè)諧波又能補(bǔ)償無功功率。筆者根據(jù)以上的原理，利用Matlab軟件對(duì)三相可控整流的諧波電流進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明，瞬時(shí)無功功率理論下的諧波電流和無功電流檢測(cè)，能準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出三相電路中的諧波電流和無功電流。這種諧波檢測(cè)法在有源電力濾波器中，應(yīng)用最多。 在抑制諧波和無功電流的方法中，基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法實(shí)時(shí)性好，延時(shí)小，既能檢測(cè)諧波又能檢測(cè)無功；基于傅里葉快速變換的諧波檢測(cè)法，在諧波檢測(cè)、無功補(bǔ)償和頻譜分析方面，均獲得較廣泛的應(yīng)用，這兩種是目前采用的主要方法。此外，除了上述對(duì)諧波和無功電流的檢測(cè)方法外，還有基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法、基于自適應(yīng)對(duì)消原理的諧波檢測(cè)法、基于小波分析的諧波檢測(cè)法等。這些諧波檢測(cè)方法則是極具潛力的新型諧波檢測(cè)法。 5 結(jié)束語(yǔ) 隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，非線性設(shè)備越來越多，電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。這種情況下，電力系統(tǒng)的諧波問題就受到關(guān)注。因此，檢測(cè)和抑制諧波已成為電力系統(tǒng)工作中不可忽視的環(huán)節(jié)，日益受到重視。 本文所介紹的方法是目前電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)的主要方法，隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求更高，諧波檢測(cè)方法在向智能化、多功能實(shí)用化方向發(fā)展，計(jì)算方法從直觀的函數(shù)解析過渡到精確的分析和信號(hào)處理；諧波檢測(cè)效果向高精度、高速度和實(shí)時(shí)性好的方向發(fā)展；并且逐漸和控制目標(biāo)相結(jié)合。 |
