基于廣義諧波理論的電能質量擾動檢測方法

田志丹，李友才，陸 荃

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

在智能電網大力發(fā)展趨勢下，電力電子器件在電力系統(tǒng)中的運用愈來愈普遍，但是這對整個電網的運行造成了巨大的損害，電能質量問題越來越凸顯。在工業(yè)方面造成了生產率不高、收益低的不利形勢。對于用戶側，用電質量明顯降低，嚴峻地影響正常生活。所以，電能質量擾動治理成為當前電力系統(tǒng)研究中的重點課題。

1 電能質量擾動的危害

電能質量擾動（Voltage Quality disturbance）指實際電壓和電流與其理想的電壓、電流之間的差異[1]。通常來說，電能質量擾動可以分為有效值偏差、電壓暫變、電壓波動與閃變、三相不平衡與諧波等。電能質量擾動會對電力系統(tǒng)及其用戶造成很多危害。

1.1 對電力系統(tǒng)的危害

電能質量擾動對電力系統(tǒng)的危害主要表現：計量儀表偏差、變壓器使用時間變短、線損加大、繼保與自動裝置發(fā)生誤動作等[3]。

（1）線損增加。由于諧波而產生的諧波電流注入輸電線路時，因為線路阻抗的緣故，勢必會使線路的損耗增加，出現附加消耗。由于集膚效應的影響，并且當發(fā)生諧波時，相對應的諧波阻抗將隨頻率而變化，都將使得阻抗增大。特別是當出現諧振或者紋波變大時，系統(tǒng)產生的高次諧波使得諧波電流在線路流過時產生的線損尤為突出。

（2）一次運行設備壽命降低。由于變壓器鐵耗與電壓有關，當諧波注入變壓器時，產生的諧波電壓勢必導致渦流損耗與磁滯損耗的加劇，變壓器絕緣材料承受電氣應力增大。而此時出現諧波電流又將危害變壓器銅耗，使得變壓器容易產生振蕩。特別是當繞組為三角形連接時，諧波產生的零序電流無法流入大地，導致變壓器繞組產生環(huán)流，這將使繞組嚴重發(fā)熱，減少變壓器的使用壽命。

（3）計量儀表誤差。通常記錄電能使用情況的電度表根據基波和諧波產生的電能來進行計量。然而，當有諧波產生時，這類感應式儀表由于對其具有頻率誤差，將無法準確計量由于諧波消耗而產生的電能。這將損害用戶，因為諧波不僅降低了供電質量，而且還會使其電費增加。

（4）繼電保護裝置的誤動作。諧波的存在會使電壓電流等電氣量指標受損，當其含量較高時，這些指標的變化將更加明顯，導致繼電保護裝置的拒動或者誤動。例如，電流導致的過電流或電壓升高導致的過電壓保護。當出現三相嚴重不對稱或者諧波的正負序分量占比較大時，也將導致某些元件啟動，從而對保護裝置產生干擾。

1.2 對電力用戶產生的危害

電能質量擾動對電力用戶產生的危害主要表現在對各種電力設備的正常運行 以及生產過程中產品的質量影響等[3]。

（1）對電力設備的影響。電能質量不合格，將導致生產生活使用的電機出現很大噪聲、繞組發(fā)熱厲害，嚴重情形將出現電機振動和損壞電機。當供電系統(tǒng)產生三相電壓不對稱時，按照對稱分量法則，電機的定子繞組中將產生較大的負序電流，從而形成旋轉的負序磁場，而此時產生的磁場與電機轉動時的磁場形成制動作用，極大的降低了電機的過載能力，甚至會燒壞定子繞組。

（2）對用戶生產的產品質量影響。因為電能質量不合格，導致生產設備頻繁的停機和工作異常，在很多對電能要求嚴格的地方將出現產品不合格，會給用戶造成重大經濟損失。

（3）對與電能有關行業(yè)的影響。

1）對通信的干擾

在電網建設過程中，通常也伴隨著電信網的架設，很多情況下甚至出現同桿鋪設，使得他們之間的電氣距離更短。正常的工頻電作用時，由于其頻率較低，對通信幾乎沒有任何影響，然而因為諧波的存在，尤其是當含有高次諧波的情況下，高頻率的諧波信號將會經由電磁感應對通信線路產生聲頻干擾，其發(fā)射很多雜音，對通信的影響將可見一斑。

2）對其他行業(yè)的干擾。

電能質量污染，主要通過直接向用戶注入諧波電源，在很多精密儀器制造業(yè)，不合格的電能質量不僅增加了產品的報廢率，也對設備進行損壞，產生巨大的直接經濟損失；由于高次諧波的存在，其電感應會對廣播、有線電視信號產生干擾。

1.3 電能質量擾動的治理方法

對電能質量重要性有了如此清晰的認識，故而確保電能質量將是我們無法逃避的話題。其中抑制電能質量的擾動將是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行重要保障，也是電能質量治理的重要因素。而諧波作為其中的一種主要污染源，尤其是高次諧波、諧波產生的負序和零序分量以及無功功率不平衡等問題正在日益對我們的高質量電能提出巨大挑戰(zhàn)，為確保電能質量合格，針對諧波進行治理將首當其沖。如今廣泛使用的治理手段如下[4]：

（1）有源濾波器

為了能較好地對無功進行補償以及確保消除諧波而出現有源濾波器。針對諧波頻率與幅值變化的不確定性以及無功電流充分發(fā)揮其補償速度快、控制方式靈活特點，相對無源濾波器而言具備更加優(yōu)良的效果，是一種近于理想的補償諧波的電力電子裝置。在具有優(yōu)異補償效果的同時，也兼具受系統(tǒng)影響較小的特性，能夠準確快速的隨電網頻率的變化做出調整，而且不易同系統(tǒng)發(fā)生諧振。

（2）并聯有源濾波器

當負載有諧波電流注入電網時，可以采用并聯有源濾波器。因為此時它將相當于一個受控電流源，根據負載產生的諧波電流實時的補償與其電流幅值大小相等但方向相反的電流，用來與負載產生的諧波電流相互補償，最終達到消除諧波的目的。但該裝置將承受基波電壓，從而需要較高的成本，在高壓系統(tǒng)的諧波補償中較少涉及。

（3）串聯有源濾波器

并聯有源濾波器相當于受控電流源，同理串聯有源濾波器在系統(tǒng)中將起到受控電壓源的作用。不僅能有效的抑制電網中的諧波電壓，在改善電壓閃變以及波動等問題上也相當合理。與并聯有源濾波器一樣裝置容量小，卻具有較高的運行效率，但其工作環(huán)境復雜，通常需要承受較大電壓從而在設計時要考慮絕緣性能，同時也會造成大量的功率損耗。當線路發(fā)生故障或其他極端情況時，無法及時提供相應的無功補償和其他補償措施，且變壓器與負載相連將承受全部的基波電流，在實際使用中受到很大程度的限制。

（4）統(tǒng)一電能質量調節(jié)器

通常產生的諧波所包含成分復雜。往往采用單獨一種補償手段效果不佳，因而將上述所說的串聯型有源濾波器與并聯型有源濾波器進行合理的組合，既可兼顧二者的優(yōu)點，又可大大提高諧波補償能力。將其進行背靠背連接組成統(tǒng)一電能質量調節(jié)器，不僅發(fā)揮了串、并聯濾波器對電壓型和電流型諧波良好的消納能力，對于電壓閃變和波動也能進行可靠治理，針對耦合點處產生的三相電壓不平衡，能實時進行動態(tài)無功補償，確保電網電壓保持在合理的范圍之內，同時能有效地消除高次諧波。當然，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器所提供的無功補償能力只能在確定的負載條件下進行補償，如若負載發(fā)生變化，將無法跟蹤負載的變化而造成無功功率補償不足。因為是兩種形式的組合，常常會導致單一工作模式，從而造成裝置的浪費，此外，高昂的價格和復雜的結構也限制了它的發(fā)展。

（5）組合電能質量調節(jié)器

除以上介紹的裝置以外，對電能質量進行補償的裝置還有組合電能質量調節(jié)器，它由兩個變流器組成，通過對變流器進行合理的協調控制從而改善電能質量。根據控制方式的不同可分為協調控制與獨立控制方式。

1）協調控制：圖1所示即為協調控制方式，將組合電能質量調節(jié)器進行合理的控制，協同控制該裝置的串、并聯變流器，即能確保對電網進行電壓和電流型諧波的消除與補償。

2）獨立控制：圖2所示，將組合電能質量調節(jié)器的串、并聯變流器進行獨立的控制，充分發(fā)揮其各自的獨立功能，不僅能較好的消除解耦，也能很好的改善電能質量。

圖2 獨立控制

2 基于廣義諧波理論的電能質量擾動檢測原理

三相電路的瞬時電壓ua、ub、uc與瞬時電流ia、ib、ic能采用平面上的旋轉電壓矢量uabc與旋轉電流矢量iabc表述，設定旋轉電壓矢量uabc=[uaubuc]T，旋轉電流矢量iabc=[iaibic]T，旋轉電壓矢量uabc和旋轉電流矢量iabc所在坐標系是abc坐標系。在圖3中，選用兩兩相位差為3π/2并相互對稱的逆時針方向的a、b、c三相來作為空間坐標軸，借以電壓來舉例，在總功率不變的情況下，在平面上根據某一角速度逆時針方向旋轉的旋轉矢量[7-9]，某一時刻三相電壓的瞬時值就是旋轉電壓矢量在三相軸上的投影。如果基波角頻率為ω，當三相電壓對稱同時為正弦穩(wěn)態(tài)時，u的模值恒定，大小等于相電壓幅值和考慮功率不變的系數的乘積，u的角速度一直保持在ω。若在某一時刻電壓變化，u會有瞬時變化，旋轉矢量u和i包含三相電路瞬時電壓、電流的全部信息，且u和i在空間上的超前（滯后）關系與各相電壓、電流在時間上的超前（滯后）關系相同，則三相電路功率可以直接用旋轉矢量u與i簡化表達。

將三相待測量的空間矢量進行線性變換，運用矢量變換，使其轉換到空間坐標系中，通過LPF濾除限定頻率的諧波量，剩下的就是直流矢量，再經由反變換分離其中的工頻基波與廣義諧波。

圖3 三相電路電壓、電流的旋轉矢量示意圖

對于任意三相電路中的電壓、電流分量而言，電流電能質量擾動分量和工頻基波分量都含有交流的特征，使得電流電能質量擾動分解過程較為復雜。而事實上，三相電壓、電流可以運用某一種正交線性變換，使其轉換為空間矢量，這樣就能夠將其作為相互獨立直流矢量和交流矢量區(qū)分開來，這種方法就大大簡化了分離過程，廣義dqo正交變換正是具備此特點。

3 仿真結果與分析

利用simulink仿真工具箱，構造檢測仿真模型。仿真參數設置如下：電源采用三相對稱交流正弦的電壓源，線電壓幅值：380 V，頻率：50 Hz；低通濾波器的截止頻率設定為15 Hz。

3.1 電流電能質量擾動（廣義諧波電流）檢測仿真

圖4為三相負載電流。

圖4 三相負載電流

仿真結果顯示，在三相對稱電路中加入不對稱阻抗后，電流諧波量激增，利用電流電能質量擾動（廣義諧波電流）檢測方法能有效將諧波電流分離。圖5為三相負載的電流電能質量擾動（廣義諧波電流）及頻譜分析。

圖5 電流電能質量擾動及頻譜分析

3.2 電壓電能質量擾動檢測仿真

如圖6為三相負載電壓。

圖6 三相負載電壓

仿真結果顯示，在三相對稱電路中加入不對稱阻抗后，電壓諧波量激增，利用廣義諧波電壓檢測方法能有效將諧波電流分離。電壓電能質量擾動（廣義諧波電壓）及頻譜分析見圖7。

4 結論

本文從單相諧波理論出發(fā)，將諧波理論推廣至三相電路中，重點闡述了廣義dqo正交變換法電流及電壓諧波的檢測原理，同時，提出了一種基于廣義諧波理論和廣義dqo正交變換的電能質量擾動檢測算法。最后，在詳盡的理論分析基礎上，構建了檢測仿真模型，經過對結果的分析，驗證并表明了所提檢測算法的有效性。

圖7 廣義諧波電壓及頻譜分析

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