配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補償抑制研究

曾朝陽

摘 要：在電路傳輸中，配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補償抑制是重要的研究內(nèi)容，做好配網(wǎng)諧波監(jiān)測與補償抑制，是提高電力傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵。在對負載結(jié)構(gòu)的研究分析中發(fā)現(xiàn)，由于頻爐的特性，相橋式整流電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)為6k±1（k為正整數(shù)）特定次諧波，在過去的模擬電路信號采集中無法直接分離特定次諧波分量，直至數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和傅里葉算法的提出才使之成為可能。據(jù)此對DFT和FFT進行了分析，并將改進后的FFT算法應(yīng)用于配電網(wǎng)監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：諧波 有源濾波器 檢測 補償 抑制研究

中圖分類號：TM5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（a）-0001-02

1 諧波的來源、危害及補償技術(shù)

1.1 諧波的來源

社會經(jīng)濟推動社會需求，社會需求推動科技發(fā)展，科技發(fā)展應(yīng)用于生產(chǎn)生活，與電力相關(guān)的電子設(shè)備大量的應(yīng)用，導(dǎo)致了大量的諧波污染，降低了電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能質(zhì)量。諧波的產(chǎn)生從根本上來說就是能量轉(zhuǎn)換不完全、不穩(wěn)定導(dǎo)致的，按電能輸送階段不同可由以下3個原因產(chǎn)生。

（1）在輸送端電源側(cè)，由于發(fā)電電源自身三相繞組的構(gòu)造或其他原因?qū)е碌?，三相繞組不存在絕對的平衡，造成電能初始就夾雜諧波分量；新能源的利用，采用分布式電源接入配電網(wǎng)帶入諧波分量。

（2）電源輸送中，為了減少電能損耗，采用升壓方式從電源側(cè)升壓降壓過程中經(jīng)過變壓器線圈能量轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生。

（3）配電網(wǎng)負載側(cè)，非線性負載的使用產(chǎn)生大量的諧波：重工業(yè)生產(chǎn)中采用大量的高能耗電弧爐、變頻調(diào)壓裝置；高速發(fā)展的電氣化鐵路采用的單相交流整流動力的車體；在居民家用電器中，大量使用的電冰箱、變頻式空調(diào)、智能式自動洗衣機、微波爐、電烤箱等等。

1.2 諧波的危害

電網(wǎng)系統(tǒng)諧波的存在，嚴重降低了電能質(zhì)量，影響生活生產(chǎn)對電力的使用。其危害主要有以下幾個方面。

（1）諧波對電力輸送造成的危害。

利用集膚效應(yīng)節(jié)省線路材料、降低電能損耗的原理來進行電能輸送。當線路中存在大量的諧波時，會產(chǎn)生多余的有功損耗。相比較基波電流，雖然諧波分量只占了少量，但是由于集膚效應(yīng)，頻率越高，諧波分量越靠近線路表層，造成諧波電阻高于基波電阻，因此諧波所引起的額外線損也不可忽視。

（2）諧波對電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的影響。

目前電能計量逐步采用智能電表，諧波將會造成保護裝置的誤動或者拒動，并使測量分析儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差，不利于實時采分析數(shù)據(jù)。

（3）諧波對電機和變壓器的危害。

電機與變壓器其主要構(gòu)成部分是銅制線圈及鐵芯，諧波在能量轉(zhuǎn)換中是多余的存在，造成變壓器附加損耗，增加設(shè)備的運行壓力，影響設(shè)備內(nèi)部穩(wěn)定。高次諧波經(jīng)過電機與變壓器時，會引起設(shè)備的局部過熱，產(chǎn)生嚴重的噪聲，當設(shè)備長時間處于高次諧波運行狀態(tài)下，將加速設(shè)備的老化，降低其絕緣性，影響設(shè)備的使用壽命，出現(xiàn)不可預(yù)知的事故。

（4）諧波對通信系統(tǒng)的干擾。

為了實時監(jiān)測及控制電網(wǎng)系統(tǒng)，當前的網(wǎng)架建設(shè)對于電力通信系統(tǒng)的精密性有很高的要求。電流附近存在電磁場，若通信線路與線路中的諧波分量產(chǎn)生了能量聯(lián)系，將會造成通信信號畸變，伴隨嚴重的噪聲；目前配電網(wǎng)中10kV線路，村莊居民通信線路同桿架設(shè)，配電網(wǎng)中的諧波分量會干擾通信信號，產(chǎn)生噪聲，嚴重時使信號失真或丟失，使得居民通信系統(tǒng)無法正常工作。

1.3 諧波抑制補償技術(shù)

（1）主動型諧波抑制技術(shù)：主動型諧波抑制技術(shù)針對諧波源，改變其構(gòu)造，從根源減少諧波的產(chǎn)生。在主動型諧波抑制技術(shù)上的應(yīng)用，雖然還不能將諧波完全消除，但是在某些領(lǐng)域已經(jīng)得到嘗試，并取得了成功。例如在重型工業(yè)領(lǐng)域，整流器大量使用平滑波形達到減少諧波的目的；三相整流變壓器則采用改變內(nèi)部接線的方式（Δ/Y或者Y/Δ的接線），直接消除3的整數(shù)倍次諧波；采用PWM脈沖調(diào)制方式，在所需的頻率周期內(nèi)，將交流電壓按照等幅不等寬的原則轉(zhuǎn)化為直流輸出來實現(xiàn)抑制諧波的目的。

（2）被動型諧波抑制技術(shù)：被動型諧波抑制技術(shù)分為有源濾波與無緣濾波技術(shù)，當前這兩種技術(shù)都普遍被采用，主流趨勢是采用效果更好的有源濾波技術(shù)。無緣濾波主要是利用電容電感原件的諧振特性來達到消除諧波的效果，這種技術(shù)實現(xiàn)起來硬件結(jié)構(gòu)簡單，投資相應(yīng)較少，諧波理論研究初期主要采用該方式，這種方式受硬件約束，固定不變，不能很好的隨電網(wǎng)實際動態(tài)來消除諧波，在諧波與硬件系統(tǒng)發(fā)生諧振時容易燒毀設(shè)備，造成事故；有源濾波硬件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在數(shù)字控制技術(shù)、導(dǎo)體控制材料技術(shù)與電子芯片的飛速發(fā)展中，結(jié)合軟件驅(qū)動，很好的達到了動態(tài)消除諧波的目的。這種濾波方式結(jié)合不同的控制及檢測算法能達到很好的效果，其補償效果精確、有效，缺點就是成本高。

2 配電網(wǎng)中諧波監(jiān)測

2.1 特定次諧波的監(jiān)測及傅里葉算法原理

傅里葉檢測算法的前提條件：信號能以連續(xù)形式呈現(xiàn)出來并能由檢測系統(tǒng)捕捉采集到，無論波形如何都可以分解為不同頻率數(shù)個正弦波的疊加信號。傅里葉算法實質(zhì)上就是將這些不同頻率的疊加信號根據(jù)正弦波特性拆分出來，以頻率為序?qū)⒄也ㄖ匦屡帕?，更加直觀的看出頻率、幅值及相位。

傳統(tǒng)傅里葉檢測算法的基本原理：在信號采集電路中，設(shè)定固定頻率的脈沖控制采集周期，將采集到的模擬信號離散化處理為數(shù)字量，將檢測到的數(shù)字量信號進行傅立葉變換，根據(jù)傅里葉定義表示各次諧波的頻率、相位及幅值。

2.1.1 FFT檢測法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

將離散傅里葉（DFT）原理應(yīng)用在信號分析中，具有重大的意義。在研究分析過程中，傅里葉算法可以實現(xiàn)對信號在頻域范圍內(nèi)頻譜的估計和觀察分析，為信號后續(xù)處理做出重要的基礎(chǔ)。對于多點的信號檢測，傅里葉（DFT）算法缺陷十分明顯，每增加一個采樣點，計算量將會多2N+2次復(fù)數(shù)乘法和2N-2次負數(shù)加法；換種解釋，計算N個點，需要N2復(fù)數(shù)乘法以及N2-N次復(fù)數(shù)加法。在采樣計算少數(shù)點的情況下，無多大影響；在采樣點增加到一定數(shù)值的時候，計算量會幾何倍數(shù)增長，對于芯片運算能力要求更高，且使得檢測結(jié)果由于時效性變得無意義。endprint

2.1.2 FFT的物理特性

在進行物理研究時，波形基本以正弦波為基礎(chǔ)單位，它相對簡單且組合特性較強。

（1）信號分析特性分析：離散形式的傅立葉的物理系統(tǒng)內(nèi)，由于頻率不變的性質(zhì)，系統(tǒng)對于復(fù)雜激勵的響應(yīng)可以通過組合其對不同頻率正弦信號的響應(yīng)來獲取。

（2）運算：在微分中就運算中基本函數(shù)為正弦基函數(shù)，可以將線性微分方程的運算過程轉(zhuǎn)換為常系數(shù)的代數(shù)方程的求解。

（3）算法特性：傅立葉變換是線性算子，在特定情況下還是酉算子。

（4）正反運算的關(guān)系：傅立葉變換的逆變換容易求出，而且形式與正變換非常類似。

2.2 基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波檢測法

根據(jù)對檢測結(jié)果要求的不同可以分別以精確性或者實時性為主，來采用相應(yīng)的檢測算法。若對后續(xù)諧波需進行補償，或者進行特定研究，大致分為兩種：針對特定次諧波研究分析或者進行補償和補償所有諧波。前者在運算中在算出諧波后，根據(jù)需要進行篩選分析，設(shè)備補償使用中，補償效果更確定；后者作為一種全補償形式需要傻瓜式運算，控制可控半導(dǎo)體進行逆變補償，縮短了設(shè)備使用的壽命。

前者主要采用FFT算法進行分析研究，電網(wǎng)中電流信號具有周期性，滿足FFT運算前提條件；后者主要采用瞬時無功功率算法進行運算分析，方便與補償控制理論組合進行諧波補償。兩種算法進行簡單比較，可以發(fā)現(xiàn)：瞬時無功功率算法在總的補償過程中精確度和實時性更加平均；FFT算法更具針對性，直接顯示各次諧波的具體數(shù)值（幅值、相位和頻率），例如低壓配網(wǎng)中的三次諧波，大量的三次諧波足以燒斷中性線；電氣化鐵路中，采用特定次諧波對設(shè)備進行故障識別等等，F(xiàn)FT檢測算法不可缺少。

2.3 FFT改進算法

柵欄效應(yīng)，也稱柵欄現(xiàn)象，電流信號的連續(xù)模擬量可以看做按一定時序的無數(shù)數(shù)字量組成，在采集周期頻率確定的情況下，有可能造成采集的數(shù)值是不需要的或者沒有采集到實際需要分析的數(shù)字量。簡單地說，就像有障礙物遮擋視線，失去觀察視角，看不見特定的景象。頻域中直接采樣，柵欄效應(yīng)更加明顯，甚至造成電流信號的失真，使檢測結(jié)果變得沒有意義。因此FFT檢測算法先在時域中進行采樣，再轉(zhuǎn)為頻域分析來減少柵欄效應(yīng)的影響。

弄清楚了柵欄效應(yīng)的概念，很容易想到最基本的解決方法：提高采樣頻率，即分辨力，最大程度上減少關(guān)鍵采樣點的遺漏。但是這種思路，同時增加了計算工作量。如何平衡解決柵欄效應(yīng)和計算量的矛盾，是FFT檢測算法的關(guān)鍵之一。

3 配電網(wǎng)諧波補償控制

3.1 基于瞬時無功功率諧波檢測法

有源濾波器中檢測環(huán)節(jié)較多的采用基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法，這種檢測方法細分為兩種：ip-iq法和p-q法。主思路都是在簡化計算量上采用坐標轉(zhuǎn)換法，將三相電壓坐標值經(jīng)過轉(zhuǎn)換變?yōu)閮上郺、β坐標，簡化了諧波的計算，該理論已經(jīng)在三相電路檢測電流中得到了應(yīng)用與證明。

3.2 控制方法

當APF有源濾波器檢測電路，以ip-iq法檢測得到諧波電流后，控制APF補償電流發(fā)生電路，實時、準確的跟蹤補償電流指令信號，控制可控半導(dǎo)體開斷，逆變得到補償諧波。檢測環(huán)節(jié)已經(jīng)進行仿真研究，這里控制環(huán)節(jié)由APF輸出補償電流的控制和APF直流母線的控制組成。

補償電流的控制：根據(jù)檢測到的諧波電流信號，采用特定的比較處理方式，跟蹤諧波電流信號，得到補償電流的PWM指令信號。實時控制逆變電路中可控半導(dǎo)體的通斷產(chǎn)生反相、幅值相位一致的補償電流信號。目前研究的控制方式主要有：滯環(huán)比較控制方式、無差拍控制方式、重復(fù)控制、三角波控制方式、空間矢量控制方式、滑模控制方式、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。本章主要在補償控制環(huán)節(jié)主要采用三角載波控制比較方法。

（1）三角載波控制方法，三角載波控制：瞬時線性脈沖比較的控制方法。先將采集檢測到的電流實際信號與理論電流值進行做差得到誤差控制信號，再與設(shè)定的高頻三角載波信號進行實時比較，以交匯點處得到脈沖信號控制逆變電路可控半導(dǎo)體的控制信號，把△ic控制在最小范圍內(nèi)是這種控制算法的核心思路。

（2）直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制原理，直流側(cè)電壓控制也是有源濾波器關(guān)鍵技術(shù)之一，直流側(cè)電壓不加以控制，長時間運行會導(dǎo)致直流側(cè)電壓不穩(wěn)定，可能造成半導(dǎo)體控制開關(guān)功率器件或者直流側(cè)電容升溫、損壞，直流側(cè)電壓是產(chǎn)生補償諧波電流的電源基礎(chǔ)，為使逆變器正常工作，達到補償器所要求的補償效果，必須使直流側(cè)電容電壓維持足夠高以保證補償器在沒有輸出補償電流時各橋臂二極管的反向偏置，在進行動態(tài)補償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)參考電流輸出所需的補償電流。有源濾波器要穩(wěn)定的運行，必須要保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

（3）PI仿真分析，依據(jù)上述理論分析，對直流側(cè)PI閉環(huán)控制進行仿真分析，仿真參數(shù)如下：

①直流側(cè)電源電容C取值為3000 μF，直流側(cè)電壓設(shè)定值為800 V；

②網(wǎng)側(cè)電壓Us取值為220 V；

③網(wǎng)側(cè)交流電路連接電感取值為2.5mH，APF的等效阻抗為0.3 Ω；

④有源濾波器實際直流側(cè)電壓，控制直流側(cè)電壓在限定范圍內(nèi)，ΔUdc通過PI后形成IP，設(shè)IP=KpΔUdc，當ΔUdc=10 V時，IP=10Kp。

3.3 APF整體仿真實驗研究

為了驗證文中提出的電流控制方法的正確性和可行性，在仿真軟件matlab環(huán)境下對該方法進行了仿真試驗。

仿真系統(tǒng)器件的仿真參數(shù)為：

（1）系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)采樣頻率為9.6 KHz；

（2）電源電壓380 V，工頻50 Hz，系統(tǒng)總電阻為0.6 Ω，不計電抗；

（3）非線性負載：三相不控整流橋帶電阻負載，Rd=24 Ω；

（4）直流母線電壓設(shè)定值為1200 V，濾波電感為3 mH。

4 結(jié)語

該文圍繞著電力有源濾波器的一些關(guān)鍵技術(shù)包括諧波電流檢測、電流跟蹤控制、直流側(cè)電壓控制、主電路參數(shù)選擇等問題展開了研究和討論。針對目前電力有源濾波器有待完善一些關(guān)鍵技術(shù)和存在的一些問題，指出了有源濾波器將來的發(fā)展趨勢。對電力有源濾波器在補償過程中所有環(huán)節(jié)從理論進行了詳細的研究分析，主要包括：瞬時無功功率檢測法、三角載波控制法以及直流側(cè)PI電壓穩(wěn)定法。以諧波補償抑制為目的，這里檢測階段采用瞬時無功功率檢測法進行檢測，與補償控制算法相配合，得到精確度與實時性能更好的補償效果，給出了仿真結(jié)果。討論了功率器件、驅(qū)動模塊的選擇，然后設(shè)計了硬件保護電路。最后論述了基于TMS320F2812平臺的控制部分的實現(xiàn)。通過實驗，驗證了該文所設(shè)計的有源濾波器在諧波抑制方面的有效性。

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