諧波檢測(cè)的應(yīng)用與發(fā)展

諧波檢測(cè)的應(yīng)用與發(fā)展

電力是現(xiàn)代人類社會(huì)生產(chǎn)與生活不可缺少的一種主要能源形式。隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置帶來(lái)的諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周?chē)�電氣環(huán)境帶來(lái)了極大影響。諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究已被人們逐漸重視。諧波問(wèn)題涉及面很廣，包括對(duì)畸變波形的分析方法、諧波源分析、電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算、諧波補(bǔ)償和抑制、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)以及諧波測(cè)量及在諧波情況下對(duì)各種電氣量的檢測(cè)方法等。 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)| 電力測(cè)量?jī)x
　　諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題中的一個(gè)重要分支，對(duì)抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，對(duì)諧波的分析和測(cè)量是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項(xiàng)重要工作，是對(duì)繼電保護(hù)、判斷故障點(diǎn)和故障類型等工作的重要前提。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，是眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力研究的目標(biāo)。
　　常規(guī)的諧波測(cè)量方法主要有：模擬帶通或帶阻濾波器測(cè)量諧波；基于傅里葉變換的諧波測(cè)量；基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波測(cè)量。
　　但是，各種基本方法在實(shí)際運(yùn)用中均有不同程度局限及缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，在以上各種方法基礎(chǔ)上的拓展和改進(jìn)方法應(yīng)運(yùn)而生，本文著重介紹近幾年來(lái)的一些新興的諧波測(cè)量方法。 
      
      改進(jìn)的傅里葉變換方法
　　傅里葉變換是檢測(cè)諧波的常用方法，用于檢測(cè)基波和整數(shù)次諧波。但是傅里葉變換會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊、頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。怎樣減小這些影響是研究的主要任務(wù)，通過(guò)加適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率，或進(jìn)行插值，盡量將上述影響減到最小。
　　延長(zhǎng)周期法［1］是在補(bǔ)零法的基礎(chǔ)上，把在一個(gè)采樣周期內(nèi)采到的N個(gè)點(diǎn)擴(kuò)展任何整數(shù)倍。他的表達(dá)式為：
　　 
　　與傳統(tǒng)的補(bǔ)零法相比，既簡(jiǎn)化了步驟，又可以獲得同樣準(zhǔn)確或更準(zhǔn)確的頻譜圖。在達(dá)到同樣的0．973 5分辨率情況下，測(cè)量起來(lái)步驟更簡(jiǎn)潔，而且頻譜圖更準(zhǔn)確。
　　基于Hanning窗的插值FFT算法［2］基于Hanning窗的電網(wǎng)諧波幅值、頻率和相位的顯示計(jì)算公式：
　　 
　　仿真結(jié)果證明，應(yīng)用上述分析結(jié)果，電網(wǎng)諧波幅度、頻率和相位的估計(jì)達(dá)到了預(yù)期的分析精度。其中，頻率分析　精度可控制在0．01％以內(nèi)，幅值分析精度可在0．5％以內(nèi)，相位估計(jì)精度可達(dá)5％。而且隨著采樣長(zhǎng)度的增加，估計(jì)精度還可進(jìn)一步提高。本算法的不足之處是分析窗的寬度一般要達(dá)十幾個(gè)信號(hào)周期，參數(shù)估計(jì)的實(shí)時(shí)性不夠理想。另外，當(dāng)信號(hào)中包含噪聲時(shí)，如何提高參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)確度和精度還值得做進(jìn)一步的研究。
　（1）改進(jìn)的快速傅里葉算法
　　是將基2分解和基4分解揉合在一起，而復(fù)數(shù)加法次數(shù)相同，另外將采樣的2個(gè)實(shí)序列組合成復(fù)序列進(jìn)行變換，將結(jié)果按公式轉(zhuǎn)換為2個(gè)實(shí)序列的FFT變換結(jié)果。模擬試驗(yàn)表明，此種方法具有檢測(cè)實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。基于此種方法研制的16路電力諧波在線監(jiān)視、分析裝置，諧波測(cè)量精度達(dá)到2％。
　（2）基波有功分量剔除法
　　從傅里葉變換出發(fā)，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流基波有功分量來(lái)檢測(cè)諧波和無(wú)功電流。有畸變電流：
　　 
其中：iL（t）為單相電路中非線性負(fù)荷電流，ifp為基波電流有功分量；A1為基波有功分量幅值。
　　該方法由于算法簡(jiǎn)單、所用器件少、適時(shí)性較高，不僅能適用于單相電路，而且也適用于三相四線制電路。

      基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法

　　瞬時(shí)無(wú)功功率理論解決了諧波和無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測(cè)及不用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，對(duì)治理諧波和研發(fā)無(wú)功補(bǔ)償裝置等起到了很大的推動(dòng)作用。
　　用Kaiser滑動(dòng)時(shí)窗截取諧波電流信號(hào)［5］，通過(guò)對(duì)窗函數(shù)參數(shù)的選定，能實(shí)時(shí)檢測(cè)出基波及各次諧波電流的正序和負(fù)序分量，尤其是對(duì)信號(hào)中諧波含有率較小的頻率分量 有較高的檢測(cè)精度。Kaiser窗函數(shù)的表達(dá)式為：
　　 
　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，選取β＝8時(shí)，對(duì)信號(hào)中諧波含有率較小的頻率分量的檢測(cè)精度可與日置公司的諧波分析儀HIOKI3193達(dá)到一致或更好的精度。實(shí)際應(yīng)用中，優(yōu)化選擇窗譜的主瓣寬度和旁瓣衰減的比例，以獲得最佳的檢測(cè)效果。對(duì)該方法利用Matlab建立仿真模型，并以檢測(cè)7次正序電流分量為例，在研制的30 kVA有源電力濾波器中驗(yàn)證了有效性和實(shí)時(shí)性。
　（1）一種數(shù)字化的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法
　　通過(guò)對(duì)影響諧波電流檢測(cè)精度的因數(shù)進(jìn)行分析，可以看出低通濾波器是影響計(jì)算精度的主要原因之一。本方法 用復(fù)化積分提高檢測(cè)直流分量的計(jì)算精度，用Hamming窗消除直流分量檢測(cè)過(guò)程產(chǎn)生的頻譜泄漏。該方法不僅能實(shí)時(shí)提供有源電力濾波器所需的電流補(bǔ)償指令信號(hào)，還能以較高的精度檢測(cè)基波和各次諧波電流的正序及負(fù)序分量有效值。仿真結(jié)果證明了該方法的正確性，并且檢測(cè)精度可達(dá)0．3％以內(nèi)，在研制的30 kVA有源電力濾波器中得到了成功的應(yīng)用。該方法特別適合在DSP編程實(shí)現(xiàn)，不僅能提供APF所需的電流補(bǔ)償指令信號(hào)，還能以較高的精度計(jì)算諧波電流的正序和負(fù)序分量有效值。該方法也同樣適用于諧波電壓檢測(cè)。
　（2）基于廣義瞬時(shí)電流的方法
　　在三相四線制系統(tǒng)下，考慮零序電流分量的存在，選擇并給出了αβO坐標(biāo)系下廣義瞬時(shí)電流的定義： 
　　假設(shè)三相四線制電路中三相電壓對(duì)稱，將瞬時(shí)無(wú)功功率的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換成對(duì)瞬時(shí)無(wú)功電流的補(bǔ)償。將iαβO的瞬時(shí)有功電流分解成基波瞬時(shí)有功功率和包含因不對(duì)稱引起的零序電流瞬時(shí)有功功率及高次諧波瞬時(shí)有功功率分量在內(nèi)的電流兩部分。并給出了該系統(tǒng)下諧波電流和無(wú)功功率補(bǔ)償電路，基于此電路的仿真結(jié)果表明，該補(bǔ)償方法能有效消除電流諧波及無(wú)功功率。

      基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法

　 將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波測(cè)量，主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、樣本的確定和算法的選擇，目前已有一些研究成果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）具有人腦的某些功能特征，可以用來(lái)解決模式識(shí)別與人工智能中用傳統(tǒng)方法難以解決的問(wèn)題。

   小結(jié)

　　綜上所述，傅里葉變換是目前諧波測(cè)量?jī)x器中廣泛應(yīng)用的基本理論依據(jù)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和小波分析方法應(yīng)用于諧波測(cè)量，仍是目前正在研究的新方法，他可以提高諧波測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度；瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測(cè)，也可用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎C波治理領(lǐng)域。
　　硬件設(shè)備的精度、速度和可靠性的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)高性能算法和實(shí)時(shí)控制奠定了基礎(chǔ)。諧波測(cè)量算法向復(fù)雜化、智能化發(fā)展；求解方法從直觀的函數(shù)解析，進(jìn)入復(fù)雜的數(shù)值分析和信號(hào)處理領(lǐng)域。
　 但諧波測(cè)量與諧波分析如何相互配合；針對(duì)非穩(wěn)態(tài)波形畸變，尋求新的數(shù)學(xué)方法，建立更為完善的功率定義和理論，將新理論應(yīng)用于諧波測(cè)量；提出新的測(cè)量方法和測(cè)量手段，使諧波測(cè)量在精度和實(shí)時(shí)性方面取得突破，仍是人們關(guān)注的方向。