關于電力系統中兩大諧波檢測法的比較分析

摘 要:由于非線性負載和各種換流設備的廣泛應用，使得電力系統中諧波污染日益嚴重，補償電力系統諧波，改善供電質量成為當前迫切需要解決的問題。而準確、實時地對電力系統諧波進行檢測對其有著重要的意義。在此針對當前電力系統中運用最廣的兩大諧波檢測法進行了全面的分析比較，并提出了該方法的一些改進方向。

關鍵詞:電力系統;諧波檢測;傅里葉變換;瞬時無功功率

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)02-205-02

Comparison and Analysis of Harmonic Detection in Electric Power System

JIANG Xuefeng，LI Jie，ZHANG Liwen，LU Yan，MA Chao，QIU Zhongcai

(Southwest Jiaotong University，Chengdu，614202，China)

Abstract:As the non_linear load and a variety of flow devices for a wide range of applications，the harmonic pollution in power system is becoming increasingly serious，compensation for power system harmonics and improving power quality has become the urgent need to be addressed.An accurate，real_time detection on the power system harmonic has its significance.The current power system in the two most widely used methods of harmonic analysis of a comprehensive comparison，and improved directions are proposed.

Keywords:electric power system;harmonic detection;Fourier transform;instantaneous reactive power

0 引 言

近年來，隨著電力電子技術的廣泛應用，電力系統諧波污染日益嚴重，已成為影響電能質量的公害\\。諧波可使電能的生產、傳輸和利用的效率降低;使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀;同時可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器設備燒毀;諧波還會對通信設備產生嚴重干擾等。這對電力系統的安全、經濟運行造成了極大的影響。另外諧波抑制及補償裝置到底需要補償多大的諧波，需要進行怎樣的補償配置，以及需要達到怎樣的補償效果都是以諧波分析得到的結果為依據的。所以對電力系統中的諧波含量進行實時測量，確切掌握電力系統中諧波的實際狀況，對防止諧波危害，維護電力系統的安全運行意義重大。

1 當前電力系統中諧波電流檢測的兩大主要方法

1.1 基于傅里葉變換的諧波檢測法

該法是當今應用最為廣泛的一種諧波測量方法\\。它是根據離散傅里葉變換(DFT)過渡到快速傅里葉變換(FFT)的基本原理而構成的。它通過模擬信號經采樣，離散成數字序列信號后，經微型計算機進行諧波分析和計算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得如諧波功率、諧波阻抗等信息，同時還可對諧波進行各種統計和分析等。

但是這種方法存在著頻譜混疊、頻率分辨能力低、柵欄效應及頻譜泄漏等問題，使分析的信號參數(頻率、幅值和相位)不準，尤其是相位誤差很大，無法滿足電力諧波測量要求。目前，對其的改進方法有:利用加窗插值法\\、修正理想采樣頻率法\\、雙峰譜線修正算法\\、準同步采樣法\\等。

1.2 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法

日本學者赤木泰文等人于1984年首先提出了基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法，最初它是以瞬時實功率p和虛功率q的定義為基礎，即p_q理論，后又補充定義了瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq等物理量，瞬時無功功率理論已逐漸完善。目前，它已是應用最廣的一種檢測諧波電流方法\\。當前主要有以下幾種方法:p_q法、p_q_r法、ip_iq法以及d_q法等。但這些方法都需要進行坐標變換，且都需要低通濾波器。

2 兩大方法的分析比較

2.1 對各種基于傅里葉變換的諧波檢測法的分析比較

為了能更形象地進行分析比較，在此進行了列表比較，其特點比較如表1所示。

表1 各種基于傅里葉變換的諧波檢測法的特點比較

檢測方法特點

利用加窗插值法通過加窗減小頻譜泄漏，通過插值消除柵欄效應引起的誤差，可減少泄漏，有效地抑制諧波之間的干擾和雜波及噪聲的干擾，從而可以精確測量到各次諧波電壓和電流的幅值及相位。

修正理想采樣頻率法對每個采樣點進行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值，不需要添加任何硬件，實時性好，適合在線測量，但誤差稍大一些，只能減少50%的泄漏

雙峰譜線修正算法用距諧波頻點最近的兩根離散頻譜幅值估計出待求諧波幅值，同時用多項式逼近法獲得頻率和幅值修正的計算公式，能有效降低頻譜泄漏和噪聲干擾

準同步采樣法能有效地抑制諧波對測量參數的影響及減小未完全同步產生的誤差，獲得較高的測量精度

2.2 對各種基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法的分析比較

諧波檢測法的特點比較如表2所示。

表2 各種基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法的特點比較

檢測方法特點適用場合

p_q法沒有考慮零序分量，當三相系統不平衡或有畸變時，其檢測結果有較大誤差僅適用于三相三線平衡正弦電壓的供電系統

p_q_r法能夠檢測在三相不平衡情況下的諧波電流，通過重采樣可以減少計算量，以提高計算速度可適用于三相不平衡情況

d_q法實時性好，可檢測基波電流有功分量、無功分量和諧波分量，但對參數依賴性大適用于電網電壓畸變和不對稱情況

ip_iq法能準確地檢測對稱三相電路的諧波值，實時性較好，在只需測量諧波時可省去鎖相環電路能適應不對稱電網和電壓波形畸變時的情況

2.3 對兩大方法的綜合性分析比較

兩大諧波檢測法的優缺點及適用場合比較如表3所示。

表3 兩大諧波檢測法的優缺點及適用場合對比表

檢測方法優點缺點適用場合

基于傅里葉變換的諧波檢測法實現簡單、功能多且使用方便存在著頻譜泄漏、柵欄效應等問題，且實時性不好、精度不高適用于平穩信號，不適于非平穩信號

基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法實時性較好，延時小，既能檢測諧波又能補償無功控制電路相對復雜，耗費大，所需計算量較大適用于實時性要求不是非常高的

3 方法的改進方向

在對當前電力系統中運用最廣的兩大諧波電流檢測法進行了全面的分析比較后，這里認為其改進方向有:

(1) 對于基于傅里葉變換的諧波檢測法首先應該對其存在的頻譜泄漏、柵欄效應等問題進行有效地控制盡可能地消除，然后應該對其實時性和精度性進行提高，最后應該推廣其適用場合，使之同樣適用于非平穩信號。

(2) 對于基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法應該對其控制電路進行簡化，減少其耗費，同時應該減少其計算量，進一步提高其實時性。

(3) 對于當前的神經網絡法[9]、小波分析法[10]都具有可以提高諧波測量的實時性和精度性的優點，而基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法與基于傅里葉變換的諧波檢測法是當前被廣泛應用的兩種主要方法，但它們的實時性和精度性還不是很好，對此可以使他們相互結合將其優點更好地發揮。如將小波分析法與瞬時無功功率理論結合、小波分析法與傅里葉變換結合、神經網絡與傅里葉變換結合或將神經網絡、小波分析同時與瞬時無功功率理論或傅里葉變換結合等。相信這樣檢測效果會更好。

(4) 對于它們還存在算法速度和準確度不能兼顧的問題，對此應該運用最優化原理使算法速度和準確度盡可能地同時達到最優化。

(5) 有待于提高諧波監測裝置硬件設備的精度、速度和可靠性，使諧波監測、實時分析與控制目標相結合，使測量與控制網絡化、智能化、集成一體化。

4 結 語

在對當前電力系統中運用最廣的兩大諧波電流檢測法進行了全面的分析比較，并提出了其方法的一些改進方向后，本文認為:基于傅里葉變換的諧波檢測法具有實現簡單、功能多且使用方便的優點，適用于平穩信號;基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法具有實時性較好，延時小，既能檢測諧波又能補償無功的優點，適用于實時性要求不是非常高的場合。

對于基于傅里葉變換的諧波檢測法還有待于對其存在的頻譜泄漏、柵欄效應等問題進行有效地控制，并對其實時性和精度性進行提高;對于基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法還有待于對其控制電路進行簡化，減少其耗費，同時應該減少其計算量，進一步提高其實時性。

應該充分利用當前研究出的新方法與當前被廣泛應用的方法進行結合，將其優點更好地發揮。同時提高諧波監測裝置硬件設備的精度、速度和可靠性，使諧波監測、實時分析與控制目標相結合，使測量與控制網絡化、智能化、集成一體化。

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