電力系統(tǒng)諧波檢測與抑制方法研究目錄TOC\o"1-2"\h\u29200電力系統(tǒng)諧波檢測與抑制方法研究 131522關(guān)鍵詞：諧波；諧波檢測；諧波抑制 1250421電力系統(tǒng)諧波的分析 1291171.1諧波的基本概念 1227771.2電力系統(tǒng)諧波的危害 2300802電力系統(tǒng)諧波的檢測 291272.1模擬濾波器檢測法 2242363.2基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法 2110373.3基于變換域分析理論的諧波檢測法 390833.4基于自適應(yīng)噪聲消除理論的諧波檢測法 3242573.5基于小波變換的諧波檢測法 3183073.6基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法 4262194電力系統(tǒng)諧波抑制方法的研究 4172374.1主動型諧波抑制法 4287084.2被動型諧波抑制法 535244.3其他諧波抑制方法 7155355結(jié)論 731931參考文獻 7摘要：隨著社會工業(yè)化進程的發(fā)展，大量高性能、高精度的用電設(shè)備層出不窮，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生導(dǎo)致社會對電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求越來越高。高性能設(shè)備的使用同時也帶來了不可避免的弊端，這些非線性設(shè)備的使用，導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波嚴重影響了電能的質(zhì)量，同時也抑制了電能應(yīng)用效率和用電設(shè)備性能的提高。流過其他負載的諧波電流會產(chǎn)生諧波電壓，諧波污染降低了電能的質(zhì)量、提高了電能損耗、造成了不可估量的經(jīng)濟損失、威脅到其他電力設(shè)備的正常運行，同時也阻礙了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，因此，研究有效的諧波檢測和諧波抑制方法對諧波進行治理具有重要意義。關(guān)鍵詞：諧波；諧波檢測；諧波抑制1電力系統(tǒng)諧波的分析1.1諧波的基本概念電力系統(tǒng)中的諧波源大致可分為：（1）發(fā)電系統(tǒng)：發(fā)電機三相繞組的不對稱和鐵芯的不均勻是產(chǎn)生諧波的主要原因。（2）輸、配電系統(tǒng)：高壓直流輸電和變壓器是主要諧波源。高壓直流輸電系統(tǒng)中的整流和逆變裝置在變壓器鐵芯飽和或非線性磁化時會產(chǎn)生諧波。（3）非線性負載：負載端的整流和調(diào)壓裝置，以及電弧爐和軋機等沖擊負載的使用。1.2電力系統(tǒng)諧波的危害標準正弦電壓加到非線性負載上產(chǎn)生諧波電流，諧波電流流過其他負載產(chǎn)生諧波電壓。諧波污染降低了電能質(zhì)量，增加了電能損耗和經(jīng)濟損失，威脅到其他電力設(shè)備的正常運行和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1]。諧波對設(shè)備的危害主要體現(xiàn)在：增加電氣設(shè)備的損耗和過載，加速設(shè)備的絕緣老化，從而降低設(shè)備的使用壽命；造成電機轉(zhuǎn)子和定子局部過熱，降低其輸出功率，引起振動等；導(dǎo)致變壓器部件發(fā)熱，降低輸出功率，產(chǎn)生噪音和振動；導(dǎo)致電容器加速老化、箱體膨脹甚至炸裂；使測量儀表增加誤差、對通信線路產(chǎn)生干擾等。2電力系統(tǒng)諧波的檢測2.1模擬濾波器檢測法在早期諧波檢測中，基波分量通過帶通濾波器獲得，然后從檢測到的電流中減去基波分量得到。信號被放大并發(fā)送到并聯(lián)的帶通濾波器。濾波器的中心頻率是固定的（是工頻的整數(shù)倍），濾波器按頻率順序排列。這種檢測方法的優(yōu)點是電路簡單，輸出阻抗低，成本低，易于控制，但也存在一些明顯的缺陷。例如，電路的濾波器中心頻率對元件參數(shù)很敏感，并且受外界影響很大。要獲得理想的幅頻特性和相頻特性并不容易。一組濾波電路只能檢測特定頻率的諧波，檢測精度較低。隨著諧波檢測要求的不斷提高和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法目前使用已經(jīng)很少。3.2基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法瞬時無功功率理論最早由日本學(xué)者赤木于1983年提出，打破了傳統(tǒng)的基于平均值的功率定義。此后，該理論不斷得到研究和完善。該系統(tǒng)最初提出了P-Q理論，定義了瞬時有功功率P、瞬時無功功率Q等瞬時功率。P-Q諧波檢測是最基本的方法，適用于對稱無畸變的三相三線制電力系統(tǒng)。如果電網(wǎng)中存在畸變、非線性負載或三相不對稱負載，使用該方法將導(dǎo)致檢測結(jié)果出現(xiàn)較大誤差；ip-iq法諧波檢測較于p-q法有一定的改善，能夠適用于電網(wǎng)電壓存在畸變的情況且有較好的檢測準確性，然而，當用于不對稱電壓檢測時，其檢測性能會受到影響；D-q諧波檢測是基于旋轉(zhuǎn)坐標變換思想的一種改進方法。它可以應(yīng)用于不對稱和電壓畸變的情況，檢測性能進一步提高[2]。3.3基于變換域分析理論的諧波檢測法在實際電力系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)的波動和諧波信號的時變性，在實際應(yīng)用中很難進行同步采樣[3]，在采樣過程中，如果信號頻率與采樣頻率不一致，會產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差，針對此問題，目前有效的改進方法包括引入窗函數(shù)和插值，即選擇合適的窗函數(shù)對采集的信號樣本的頻譜進行加權(quán)和修改，以降低對同步信號采樣的要求，減少泄露，有效抑制諧波間的干擾，但目前來說，加窗和插值都會給算法附加額外的計算量，并且窗函數(shù)的選擇仍是一個難點；對理想采樣頻率法進行了改進，對每個采樣點進行了修改，得到了理想采樣頻率下的采樣值。該方法實時性好，但頻譜泄漏率僅能降低50%；數(shù)字鎖相裝置用于保持信號頻率與采樣頻率同步，改善諧波檢測結(jié)果，提高諧波檢測精度。無論是傳統(tǒng)的FFT諧波檢測方法還是改進的FFT諧波檢測方法，都能對電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)諧波檢測具有更好的精度，實際中實現(xiàn)也較為簡單，但由于是基于塊數(shù)據(jù)的計算，使得算法的實時性不夠好，而且對非穩(wěn)態(tài)的諧波信號不能很好的跟蹤。3.4基于自適應(yīng)噪聲消除理論的諧波檢測法在自適應(yīng)噪聲抵消理論中，常用的信號處理工具是卡爾曼濾波器（KF）?？柭鼮V波采用線性狀態(tài)方程和觀測方程建立系統(tǒng)模型，采用遞推算法自適應(yīng)估計系統(tǒng)狀態(tài)，具有抵抗噪聲干擾的能力，對于線性、高斯的系統(tǒng)模型有較好的適用性，但在非線性系統(tǒng)中性能大大降低，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了一些改進措施，主要方法是使用線性化手段，例如通過泰勒展開選擇有限項進行線性近似，通過多個采樣點的分布和Sigma點集來近似系統(tǒng)的非線性分布等，非線性擴展卡爾曼算法[4]。自適應(yīng)濾波器是在維納濾波器、卡爾曼濾波器等線性濾波器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它具有更強的適應(yīng)性和更好的過濾性能。3.5基于小波變換的諧波檢測法基于小波變換的諧波檢測是變換領(lǐng)域另一種常用的諧波檢測方法。與傅里葉變換相比，小波變換是一種結(jié)合時間和頻率信息的變換方法，它能有效地從信號中提取信號，并獲得不同的時頻分辨率。它的基函數(shù)是一系列短波信號。可以通過縮放和轉(zhuǎn)換對功能或信號進行詳細的多尺度分析。它能自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，專注于信號的每一個細節(jié)，解決復(fù)雜的傅里葉變換問題。脈沖函數(shù)的選擇是確定方法有效性的關(guān)鍵。不同的基于波的函數(shù)會表現(xiàn)出不同的諧波檢測性能。波形轉(zhuǎn)換法更有利于檢測諧波的時變，但也存在一些問題，如小波基函數(shù)的選擇不明確，小波變換存在頻帶混疊和頻譜泄漏現(xiàn)象，小波變換對高頻的分辨率較低等。3.6基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是一種研究諧波發(fā)現(xiàn)的新型方法，它可以模仿人腦的部分結(jié)構(gòu)和功能，并具有特殊的編程技能、自適應(yīng)等能力的一種新型諧波檢測研究方式。從理論上講，神經(jīng)系統(tǒng)成功地提高了計算能力、各種連續(xù)運算方法、強大的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析和學(xué)習理論。神經(jīng)系統(tǒng)的自學(xué)習、強一致性、準確性和可靠性等優(yōu)勢，以及隨機非線性映射的理論實現(xiàn)，可以提高時間性能。檢測諧波的實時性和準確性。人工神經(jīng)系統(tǒng)的協(xié)同檢測不僅對常規(guī)電流測量具有良好的性能，而且對頻繁變化的電流測量具有良好的效果，對高頻隨機干擾具有頻率檢測能力和良好的識別能力。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法計算量小、檢測精度高、實時性好、抗干擾性強，但作為一種新的理論和技術(shù)，該方法還存在一些問題，如沒有標準的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造方法、沒有確定樣本數(shù)的標準方法、訓(xùn)練成本大等，在實際應(yīng)用中還有許多需要完善和改進的地方，該方法目前處于初步探索階段。4電力系統(tǒng)諧波抑制方法的研究電力系統(tǒng)中的諧波抑制方法主要可以分為兩大類：一類是主動型諧波抑制，借助適當?shù)膬?yōu)化技術(shù)，將電氣設(shè)備連接到配電系統(tǒng)。并補充電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。限制或阻礙協(xié)議的產(chǎn)生，主要是從根本上抑制諧波；另一類是無源諧波抑制。在電網(wǎng)中，諧波抑制的目的是通過增加無功補償器和消除諧波來實現(xiàn)的。4.1主動型諧波抑制法主動型諧波抑制即為從諧波源減少諧波的產(chǎn)生，目前主要的手段有：增加整流器脈動數(shù)：整流器產(chǎn)生的諧波電流數(shù)與脈動數(shù)成正比，而諧波電流的幅值與諧波數(shù)成反比。因此，增加脈動次數(shù)可以有效地降低諧波的幅值，降低諧波電流。脈寬調(diào)制技術(shù)：利用信號波對三角波進行調(diào)節(jié)從而得到PWM波，使諧波更接近于正弦波，一般用于逆變電路中，但該方法耗損大、成本高且難以控制[5]。多重化技術(shù)：在多個轉(zhuǎn)換器組合后，通過多路復(fù)用技術(shù)將多個方波疊加，以獲得接近正弦波的階躍波。該技術(shù)效果顯著，數(shù)量越多，效果越明顯，但實現(xiàn)成本較高且難度較大。有源諧波抑制方法成本高，但效率低。因此，它主要適用于大功率電力電子設(shè)備，一般需要與無源抑制相結(jié)合來抑制高次諧波，以達到更好的諧波抑制效果。4.2被動型諧波抑制法無源LC濾波器、有源電力濾波器、混合型有源電力濾波器這三種方法都是被動型諧波抑制法。4.2.1無源濾波器無源濾波器又稱LC濾波器，是一種由電感、電容和電阻元件組成的濾波電路器件。它分為單調(diào)諧、雙調(diào)諧、高通濾波器等，是諧波抑制最常用的方法，其原理是利用元件的諧振特性進行濾波，需濾除的諧波頻率與諧振回路的頻率一致時，該諧波將被濾除。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、運行可靠性高、運行成本低等優(yōu)點，同時還可以補償部分的無功功率，但存在著濾波效果受系統(tǒng)阻抗影響較為嚴重、存在諧波放大和共振、補償效果隨負載變化而變化等的缺陷。4.2.2有源電力濾波器有源電力濾波器（APF）是一種新型的電子電源，具有強大的諧波抑制和無功平衡功能。APF可分為串行和并行兩種，包括并行型。APF相當于諧波電流發(fā)生器，它將諧波元件引入負載電流，使用后產(chǎn)生相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流，APF的濾波精度高、濾波范圍廣、對負載的波動響應(yīng)快、不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振且還能夠一定程度上抑制電壓閃變、補償三相不平衡和提高功率因數(shù)，但同樣也存在著一些不足，例如，在提供濾波時無法或很少提供無功補償，設(shè)備成本太高，當前適用的最大電網(wǎng)電壓不超過690V，并且在大容量場合使用受到限制。因此，它只適用于小功率、高次諧波頻率的場合[6]。（1）APF的工作原理有源電力濾波器主要由兩個電路組成，一是實時監(jiān)視線路中電流的指令電流運算電路，當檢測出補償對象電流中含有諧波和無功等電流分量時，補償電流發(fā)生電路就會根據(jù)運算電路得出的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流；二是由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成的補償電流發(fā)生電路，其中主電路采用的是PWM變流器，其工作原理圖如圖4.1所示。圖4.1并聯(lián)型有源電力濾波器工作原理圖APF負載電流包含基波與諧波，直流分量被低通濾波器濾除后得到實際的諧波信號，并使APF的輸出電流跟蹤諧波信號，與此同時，維持住直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，且生成APF需要注入的諧波電流，該諧波電流能夠抵消諧波源的電流，以保證電網(wǎng)側(cè)的電流信號是純凈的基波電流，最終完成濾波任務(wù)。（2）APF的補償電流控制方法APF的補償電流采用滯環(huán)比較控制，其原理是將補償電流信號定義為參考值，并以該信號作為參考選擇適當?shù)臏?。當實際補償電流大于滯后帶的面積時，系統(tǒng)維持該區(qū)域內(nèi)的實際補償電流，并將其用于控制逆變器開關(guān)的通斷，最終使實際補償電流在參考值附近浮動。相比較三角載波控制，該控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快，且可以保證特定頻率的諧波分量不在輸出電壓中出現(xiàn)。4.2.3混合型濾波器將有源電力濾波器和無源濾波器的優(yōu)點結(jié)合起來的濾波裝置稱為混合濾波器，發(fā)揮各自優(yōu)勢，獲得最佳過濾效果。根據(jù)它們與電網(wǎng)的連接方式，可分為并聯(lián)混合濾波器和串聯(lián)混合濾波器。并聯(lián)混合濾波器將混合濾波器與電網(wǎng)并聯(lián)，APF和LC濾波器的連接也分為并聯(lián)和串聯(lián)。在APF和LC濾波器并聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合濾波器中，LC濾波器補償大部分諧波電流和無功電流，而APF僅補償一小部分諧波，因此所需的APF容量較小；在APF和LC濾波器串聯(lián)后再與電網(wǎng)并聯(lián)的混合濾波器中，LC濾波器不易受電網(wǎng)運行狀態(tài)和電網(wǎng)阻抗的影響，降低了與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性，適用于高壓系統(tǒng)[7]。4.3其他諧波抑制方法除上述方法外，文獻還給出了綜合潮流控制器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、統(tǒng)一常開關(guān)頻率積分控制等諧波抑制方法。目前，電力系統(tǒng)諧波處理技術(shù)的發(fā)展主要有兩個要求：一是高效利用海量數(shù)據(jù)信息，幫助預(yù)測和控制諧波失真；二是對不確定系統(tǒng)和信息的分析和處理。隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，諧波治理技術(shù)將繼續(xù)向信息化、自動化方向發(fā)展。5結(jié)論隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，由于非線性設(shè)備使用的范圍越來越大，給電力系統(tǒng)造成了嚴重的諧波污染，影響了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運行，也對電力設(shè)備造成了不可忽視的影響和危害，有效地減少和消除諧波的危害是電力系統(tǒng)領(lǐng)域十分關(guān)注和迫切需要解決的問題，抑制諧波的首要關(guān)鍵是檢測和確定系統(tǒng)中諧波的分量、幅值和相位。本文回顧和研究了國內(nèi)外電力系統(tǒng)常用的諧波檢測和抑制方法，簡要介紹了每種方法的工作原理和優(yōu)缺點。重點研究了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法和有源電力濾波器的諧波抑制方法。參考文獻[1]王國濤.淺析電力系統(tǒng)諧波危害及治理措施[J].計量與測試技術(shù),2019,46(9):73-74.[2]吳作勛,鄭書河,李傳棟.基于i_(p)-i_(q)法和APF的海洋牧場分布式電源諧波檢測與抑制方法研究