電力系統(tǒng)諧波和無功電流檢測綜述
| [摘 要] 分析目前常用的電力系統(tǒng)諧波和無功電流的檢測方法，指出了基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法延時小，實時性好；基于傅里葉快速變換的檢測法既可檢測諧波又可用于頻譜分析。 關鍵詞 諧波 檢測 瞬時無功功率 傅里葉快速變換 1 引言 當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設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，由于負荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設備就成為電力系統(tǒng)的諧波源。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：含半導體的非線性元件，如各種整流設備、變流器、交直流換流設備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設備；含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源，如變壓器及鐵磁諧振設備等。 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)、交通及家庭中的應用日益廣泛，這加劇了對電網(wǎng)的污染。這些非線性負荷引起電網(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；使電氣設備過熱，產(chǎn)生振動和噪聲，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；引起繼電保護裝置誤動作，使電能計量精度下降。另外，諧波還會對通信和電子設備產(chǎn)生嚴重干擾。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。 為了有效補償和抑制負載產(chǎn)生的諧波電流，首先必須精確檢測負載電流中的諧波分量，諧波和無功檢測是進行諧波抑制和無功補償?shù)年P鍵技術(shù)。本文在介紹諧波的檢測和分析的傳統(tǒng)方法的基礎上，詳細分析了諧波和無功電流檢測的一個重要趨勢一一瞬時無功功率理論，即“p-q”理論。 2 諧波的檢測和分析方法 現(xiàn)有諧波檢測法按原理可分為：①模擬濾波器。②基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測法。③基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法。④基于傅里口十變換的諧波檢測法。 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，再與被檢測電流相減得到諧波電流分量，其原理和電路結(jié)構(gòu)簡單，能濾除一些固有頻率的諧波。這種檢測方法誤差大，實時性差，電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯；此外濾波器中心頻率對元件參數(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功率定義的檢測方法 基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測法其原理是將負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）。它的缺點是：因為Fryze功率定義是建立在平均功率基礎上的，所以要求得瞬時有功電流需要進行一個周期的積分，再加其他運算電路，要有幾個周期延時。因此，用這種方法求得的“瞬時有功電流”實際是幾個周期前的電流值。 2.3 基于頻域分析的FFT變換檢測方法 利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎的測量方法，其基本過程是對待測信號（電壓或電流）進行采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，再用計算機進行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。該方法檢測精度高、實現(xiàn)簡單、功能多且使用方便，在頻譜分析和諧波檢測兩方面均得到廣泛應用。但計算量大，因而實時性不夠好。對非整數(shù)次諧波的檢測有頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺點，從而使檢測出的諧波幅值、相角和頻率有誤差。泄漏誤差來自兩方面，一是信號負頻分量引入的長范圍泄漏；二是窗扇形損失引入的短范圍泄漏。提高其檢測精度的關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 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法 瞬時無功功率理論，即“p-q”理論，是1983年由赤木泰文提出，是以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎。以該理論為基礎，對三相電路的諧波和無功電流實時檢測，在檢測諧波、無功電流方面得到了廣泛應用。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或相量意義上的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時的情況，而瞬時無功功率理論中的概念，都是在瞬時值的基礎上定義的，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x、y，z中的電壓和電流轉(zhuǎn)換到兩相坐標α、β、中，然后在兩相坐標系中分別計算瞬時有功功率和無功功率，再根據(jù)計算得到的瞬時有功電流和無功電流，計算出三相電路中的諧波電流和無功電流。 首先對電流進行park變換，將三相的旋轉(zhuǎn)電流轉(zhuǎn)換到dq0系統(tǒng)中。設三相電路中各相電壓和電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。將它們變換到α－β兩相正交的坐標系上，可以得到α－β坐標系上的兩相瞬時電壓和電流。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變換陣。在瞬時功率理論中，對于諧波和無功功率的計算分別有有功瞬時功率p、無功瞬時功率q運算方式和ip、iq運算方式兩種方法。對于三相三線制電路，如果電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變，兩種運算方式都能準確地檢測出諧波和無功電流。但如果電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，p、q運算方式對諧波和無功電流的檢測結(jié)果都有誤差，而ip、iq運算方式不受電網(wǎng)電壓波形畸變的影響，檢測結(jié)果是準確的。Ip、iq方式的運算式為  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sinωt和對應的余弦信號-cosωt，它們由一個鎖相環(huán)（PLL）和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。ip、iq，運算方式檢測三相諧波電流的原理圖如圖所示。  瞬時無功功率原理簡單、動態(tài)響應速度快、延時小。盡管不同的諧波源和濾波器其延時不同，但延時最多不超過一個電源周期，對三相整流器諧波源檢測的延時僅為1／6周期?？梢娫摲▽崟r性較好，既能檢測諧波又能補償無功功率。筆者根據(jù)以上的原理，利用Matlab軟件對三相可控整流的諧波電流進行了仿真實驗，仿真結(jié)果表明，瞬時無功功率理論下的諧波電流和無功電流檢測，能準確及時地檢測出三相電路中的諧波電流和無功電流。這種諧波檢測法在有源電力濾波器中，應用最多。 在抑制諧波和無功電流的方法中，基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法實時性好，延時小，既能檢測諧波又能檢測無功；基于傅里葉快速變換的諧波檢測法，在諧波檢測、無功補償和頻譜分析方面，均獲得較廣泛的應用，這兩種是目前采用的主要方法。此外，除了上述對諧波和無功電流的檢測方法外，還有基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測法、基于自適應對消原理的諧波檢測法、基于小波分析的諧波檢測法等。這些諧波檢測方法則是極具潛力的新型諧波檢測法。 5 結(jié)束語 隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，非線性設備越來越多，電力網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)也越來越復雜。這種情況下，電力系統(tǒng)的諧波問題就受到關注。因此，檢測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)諧波檢測的主要方法，隨著技術(shù)的進步，人們對電網(wǎng)質(zhì)量要求更高，諧波檢測方法在向智能化、多功能實用化方向發(fā)展，計算方法從直觀的函數(shù)解析過渡到精確的分析和信號處理；諧波檢測效果向高精度、高速度和實時性好的方向發(fā)展；并且逐漸和控制目標相結(jié)合。 |
