淺談基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法

李浩，李卓然

（1.國網天津市電力公司城南供電分公司，天津300000；2.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津300000）

淺談基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法

李浩1，李卓然2

（1.國網天津市電力公司城南供電分公司，天津300000；2.國網天津市電力公司經濟技術研究院，天津300000）

理想情況下，電源以恒定頻率向電網供電，電網中的電壓和電流都是具有相同頻率的正弦量。但隨著無功補償裝置、變流裝置及非線性負載的不斷增多，諧波的影響越來越大。諧波污染作為三大“電力公害”之一，使波形出現畸變，在非正弦波的情況下，傳統的功率理論不再試用。目前基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法是諧波檢測中使用較為普遍、計算較為簡單的一種，國內外學者通過研究提出了很多基于該理論的檢測方法。就基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法進行了論述。

諧波；諧波檢測；瞬時無功功率理論

引言

傳統的供電系統都是按照正弦波形運行原理設計的。在理想情況下，電力系統中的電壓與電流都是頻率恒定不變的正弦量，兩者除相位與幅值不同外，沒有其他的差異。電網公司的目標就是努力為用戶提供可靠、清潔的基頻正弦波功率，在此種功率下，用戶設備可以正常運轉不會產生損害。但諧波的存在使波形出現畸變，帶來大量的問題[1]。

1 諧波的危害

諧波自電力系統建成就一直存在，但在初期由于含量較小，其影響也相對較小。隨著無功補償裝置、變流裝置及非線性負載的不斷增多，電力系統中的諧波含量也不斷增加，其所帶來的不良影響也愈加嚴重[2]。

電力系統中出現諧波主要是因為系統中存在某些非線性負荷特性的設備，流過這類設備的電流與所加的電壓不成正比。當系統向這些設備供電時,它們除了消耗系統所提供的基波電能外，又將部分基波轉換為告辭諧波，并向系統倒送，使系統中的波形畸變，電能質量降低。電力系統中的主要諧波源有鐵磁飽和型、電子開關型及電弧型三大類。

諧波可以產生諸多不良影響，如它可能會引起設備過熱、振動、噪聲，導致設備絕緣層老化、脫落，設備使用壽命減少，在電力系統局部引發并聯或串聯諧振，進一步放大諧波含量，甚至導致設備損壞。此外，諧波可能會導致繼電保護及安全自動裝置拒動或誤作，使得系統發生故障時，保護裝置不能正確動作隔離故障，系統的安全性和穩定性受到嚴重破壞。在系統外部，諧波還會干擾通信設備，影響設備的正常通信。諧波的這些危害使得消除諧波變得尤為重要，而實時準確地測量電力系統中的諧波就是消除諧波的基礎[3]。

2 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法

諧波使正弦波形出現畸變，在這種情況下傳統的功率定義并不適用。為解決這一問題，國內外學者進行了大量的研究及仿真建模分析，目前用于諧波檢測的方法主要包括快速傅里葉變換及其改進方法、基于自適應理論的算法、基于小波變化理論的算法等，但傅里葉方法諧波檢測精度不高而小波理論方法算法較為復雜[4]。

在三相電力系統中，電力電子裝置及非線性負荷所產生的諧波最為普遍，而這些諧波一般以電流性諧波表現出來，所以在研究中普遍將電流性諧波作為研究對象。赤木泰文等通過研究率先提出了瞬時無功功率理論，并在此基礎上提出了p-q法及ip-iq法這兩種諧波電流的檢測方法，通過上述方法可以實時分離出各次諧波用于諧波分析，具有實時性好、精確度高、理論成熟和概念清晰等特點，是目前有源濾波器中應用最為普遍的諧波電流檢測方法。

上述算法在三相電壓波形對稱且無畸變時,具有諧波電流檢測回路簡單、延時短的優點，雖然由于諧波電流的構成及檢測電路中所使用的濾波器不盡相同，存在一定的延時，但該延時最多不會超過一個周期。其缺點是所需硬件較多，成本較高。且上述方法是以三相三線制電路為基礎的，對于單相電路，需先對三相電路分解，然后構建出單相電路的諧波檢測電路。另外，需特別注明的是對于三相四線制電路p-q法并不適用。

三相三線制與三相四線制系統的不同主要在于諧波電流中是否含有零序分量，三相三線制系統的諧波電流中只含有各次正序分量和零序分量，而三相四線制系統的諧波電流中除各次正序分量和零序分量外，還可能含有零序分量。馬惠等通過公式推導得出通過ip-iq法在對電流進行3/2相變換時，Ia、Ib和Ic中諧波電流的零序分量可以相互抵消，并通過建模仿真驗證了在三相四線制系統諧波電流中的零序分量并不影響ip-iq法的應用[5]。

何英杰等提出了用一種變步長最小均方自適應濾波器為低通濾波器的數字化實時檢測方法，通過仿真發現，該方法解決了傳統檢測算法所存在的檢測精度與響應速度之間的矛盾，為有源濾波器的實時電流補償提供了保障。該方法不僅適用于三相對稱非線性負載，對三相不對稱非線性負載也有很好的檢測效果。劉繼權等運用瞬時無功功率理論，先通過無鎖相環ip-iq法檢測基波電壓，然后運用所檢測出的基波電壓，利用p-q法進行計算，精確檢測所需的基頻有功電流、無功電流和各次諧波電流的。在傳統ip-iq算法的基礎上，王子跡等將Park變換運用在諧波檢測環節中鎖相環的鑒相部分，該方法不通過電壓直接計算諧波，消除了傳統方法中由于電壓畸變、不對稱和電壓采集所帶來的檢測誤差，且鑒相環節和Park變換相結合，提高了運算效率與響應速度，節省了計算時間[6]。

近年來，國內外許多學者在瞬時無功功率理論的基礎上進行了大量拓展研究，提出了廣義瞬時無功功率理論，并以該理論為基礎提出了新的諧波檢測方法，現已在工程實踐中得到初步應用。楊懷仁等通過對諧波電流的廣義旋轉坐標變化，將諧波電流轉變為直流分量，再使用低通濾波器進行坐標反變換，最后將直流分量變為所需的特定次的諧波電流。這種方法簡單靈活，只通過修改矩陣就可以得出三相三線制系統中的任意次諧波的正序、負序分量，通過疊加就可以得到所需的諧波量。

3 結語

隨著現代科學技術特別是電力電子技術的迅猛發展，接入電力系統的諧波源不斷增加。而另一方面，隨著經濟的發展，電力用戶對電力供應的要求逐漸由供電的連續性向電能的優質性轉變，對電能質量的要求越來越高。諧波污染作為三大“電力公害”之一嚴重影響電能質量，因此必須受到更多的關注，瞬時無功功率理論、廣義瞬時無功功率理論為準確檢測、消除諧波奠定了理論基礎，而通過中外學者的研究發現現行的理論仍存在一定的局限性，需進行完善改進，研究新的檢測方法，以滿足未來的實際需要。

[1]馬惠,劉靜芳.基于瞬時無功功率理論的三相電路諧波、無功和不平衡電流檢測[J].四川電力技術,2004(4):4-7.

[2]何英杰,劉進軍,王兆安,等.一種基于瞬時無功功率理論的數字諧波檢測[J].電工技術學報,2010(8):185-192.

[3]劉繼權,張茂松.基于瞬時無功功率理論的新型諧波檢測法[J].電測與儀表,2012(10):29-32;51.

[4]王子績,孟鑫,張彥兵,等.基于瞬時無功功率理論的新型諧波檢測算法[J].電測與儀表,2012(4):9-13.

[5]楊懷仁,陳隆道,賴曉瀚.基于廣義瞬時無功功率理論的諧波電流檢測[J].機電工程,2014(1):105-108;128.

[6]羅德凌,唐朝暉.電力系統諧波檢測方法的研究現狀及其發展[J].國外電子測量技術，2006,4(25):4-6.

（編輯：王紅霖）

Harmonic Current Detection M ethod Based on Instantaneous Reactive Power Theory

Li Hao,Li Zhuoran
(1.The South City Power Supply Company of State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300000;2.Econom ic and Technical Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Com pany,Tianjin 300000)

Ideally,thepowersuppliestogrid ataconstantfrequency,and thevoltageand currentingrid aresinusoidalwith thesame frequency. However,with the increaseof reactive power compensation devices,converterdevicesand nonlinear loads,the influence ofharmonics ismore andmoregreat.Asoneof the three“powerpollution”,harmonic pollutionmakes waveform distorted.In the case ofnon-sinusoidalwave,the traditionalpower theorycannotbeapplied.Atpresent,theharmonicdetectionmethod basedon instantaneousreactivepower theory isacommon harmonicdetectionwith asimplecalculation.Through research domesticand foreign scholarsputforwardmanydetectionmethodsbased on this theory.Theharmonic currentdetectionmethod based on instantaneousreactivepowertheory isdiscussed in thispaper.

harmonic；harmonic detection；instantaneous reactive power theory

TM 933

A

2095-0748(2016)23-0073-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.23.34

2016-10-25

李浩（1990—），男，山東肥城人，助理工程師，研究方向：電力系統調度控制。