諧波檢測的應(yīng)用與發(fā)展

諧波檢測的應(yīng)用與發(fā)展

電力是現(xiàn)代人類社會生產(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的諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來了極大影響。諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，對電力系統(tǒng)諧波問題的研究已被人們逐漸重視。諧波問題涉及面很廣，包括對畸變波形的分析方法、諧波源分析、電網(wǎng)諧波潮流計算、諧波補(bǔ)償和抑制、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)以及諧波測量及在諧波情況下對各種電氣量的檢測方法等。 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀
　　諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，對諧波的分析和測量是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項重要工作，是對繼電保護(hù)、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。準(zhǔn)確、實時的檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，是眾多國內(nèi)外學(xué)者致力研究的目標(biāo)。
　　常規(guī)的諧波測量方法主要有：模擬帶通或帶阻濾波器測量諧波；基于傅里葉變換的諧波測量；基于瞬時無功功率的諧波測量。
　　但是，各種基本方法在實際運用中均有不同程度局限及缺點。針對這一問題，在以上各種方法基礎(chǔ)上的拓展和改進(jìn)方法應(yīng)運而生，本文著重介紹近幾年來的一些新興的諧波測量方法。 
      
      改進(jìn)的傅里葉變換方法
　　傅里葉變換是檢測諧波的常用方法，用于檢測基波和整數(shù)次諧波。但是傅里葉變換會產(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。
　　延長周期法［1］是在補(bǔ)零法的基礎(chǔ)上，把在一個采樣周期內(nèi)采到的N個點擴(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，測量起來步驟更簡潔，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)，相位估計精度可達(dá)5％。而且隨著采樣長度的增加，估計精度還可進(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)十幾個信號周期，參數(shù)估計的實時性不夠理想。另外，當(dāng)信號中包含噪聲時，如何提高參數(shù)估計準(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個實序列組合成復(fù)序列進(jìn)行變換，將結(jié)果按公式轉(zhuǎn)換為2個實序列的FFT變換結(jié)果。模擬試驗表明，此種方法具有檢測實時性好，測量精度高等優(yōu)點�；�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)，通過檢測負(fù)載電流基波有功分量來檢測諧波和無功電流。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。
　　該方法由于算法簡單、所用器件少、適時性較高，不僅能適用于單相電路，而且也適用于三相四線制電路。

      基于瞬時無功功率理論的檢測方法

　　瞬時無功功率理論解決了諧波和無功功率的瞬時檢測及不用儲能元件實現(xiàn)諧波和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}，對治理諧波和研發(fā)無功補(bǔ)償裝置等起到了很大的推動作用。
　　用Kaiser滑動時窗截取諧波電流信號［5］，通過對窗函數(shù)參數(shù)的選定，能實時檢測出基波及各次諧波電流的正序和負(fù)序分量，尤其是對信號中諧波含有率較小的頻率分量 有較高的檢測精度。Kaiser窗函數(shù)的表達(dá)式為：
　　 
　　經(jīng)過試驗測量，選取β＝8時，對信號中諧波含有率較小的頻率分量的檢測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，以獲得最佳的檢測效果。對該方法利用Matlab建立仿真模型，并以檢測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證了有效性和實時性。
�。�1）一種數(shù)字化的實時檢測方法
　　通過對影響諧波電流檢測精度的因數(shù)進(jìn)行分析，可以看出低通濾波器是影響計算精度的主要原因之一。本方法 用復(fù)化積分提高檢測直流分量的計算精度，用Hamming窗消除直流分量檢測過程產(chǎn)生的頻譜泄漏。該方法不僅能實時提供有源電力濾波器所需的電流補(bǔ)償指令信號，還能以較高的精度檢測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編程實現(xiàn)，不僅能提供APF所需的電流補(bǔ)償指令信號，還能以較高的精度計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。
　（2）基于廣義瞬時電流的方法
　　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)系下廣義瞬時電流的定義： 
　　假設(shè)三相四線制電路中三相電壓對稱，將瞬時無功功率的補(bǔ)償轉(zhuǎn)換成對瞬時無功電流的補(bǔ)償。將iαβO的瞬時有功電流分解成基波瞬時有功功率和包含因不對稱引起的零序電流瞬時有功功率及高次諧波瞬時有功功率分量在內(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功功率。

      基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測方法

　 將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波測量，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，可以用來解決模式識別與人工智能中用傳統(tǒng)方法難以解決的問題。

   小結(jié)

　　綜上所述，傅里葉變換是目前諧波測量儀器中廣泛應(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)用于諧波測量，仍是目前正在研究的新方法，他可以提高諧波測量的實時性和精度；瞬時無功功率理論可用于諧波的瞬時檢測，也可用于無功補(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，為實現(xiàn)高性能算法和實時控制奠定了基礎(chǔ)。諧波測量算法向復(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)值分析和信號處理領(lǐng)域。
　 但諧波測量與諧波分析如何相互配合；針對非穩(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)用于諧波測量；提出新的測量方法和測量手段，使諧波測量在精度和實時性方面取得突破，仍是人們關(guān)注的方向。