諧波檢測的應用與發(fā)展

電力是現代人類(lèi)社會(huì )生產(chǎn)與生活不可缺少的一種主要能源形式。隨著(zhù)電力電子裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置帶來(lái)的諧波問(wèn)題對電力系統安全、穩定、經(jīng)濟運行構成潛在威脅，給周?chē)�電氣環(huán)境帶來(lái)了極大影響。諧波被認為是電網(wǎng)的一大公害，對電力系統諧波問(wèn)題的研究已被人們逐漸重視。諧波問(wèn)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、諧波補償和抑制、諧波限制標準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?jì)x
　　諧波檢測是諧波問(wèn)題中的一個(gè)重要分支，對抑制諧波有著(zhù)重要的指導作用，對諧波的分析和測量是電力系統分析和控制中的一項重要工作，是對繼電保護、判斷故障點(diǎn)和故障類(lèi)型等工作的重要前提。準確、實(shí)時(shí)的檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，是眾多國內外學(xué)者致力研究的目標。
　　常規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(shí)無(wú)功功率的諧波測量。
　　但是，各種基本方法在實(shí)際運用中均有不同程度局限及缺點(diǎn)。針對這一問(wèn)題，在以上各種方法基礎上的拓展和改進(jìn)方法應運而生，本文著(zhù)重介紹近幾年來(lái)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次諧波。但是傅里葉變換會(huì )產(chǎn)生頻譜混疊、頻譜泄漏和柵欄效應。怎樣減小這些影響是研究的主要任務(wù)，通過(guò)加適當的窗函數，選擇適當的采樣頻率，或進(jìn)行插值，盡量將上述影響減到最小。
　　延長(cháng)周期法［1］是在補零法的基礎上，把在一個(gè)采樣周期內采到的N個(gè)點(diǎn)擴展任何整數倍。他的表達式為：
　　 
　　與傳統的補零法相比，既簡(jiǎn)化了步驟，又可以獲得同樣準確或更準確的頻譜圖。在達到同樣的0．973 5分辨率情況下，測量起來(lái)步驟更簡(jiǎn)潔，而且頻譜圖更準確。
　　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：
　　 
　　仿真結果證明，應用上述分析結果，電網(wǎng)諧波幅度、頻率和相位的估計達到了預期的分析精度。其中，頻率分析　精度可控制在0．01％以?xún)�，幅值分析精度可�?．5％以?xún)�，相位估計精度可達5％。而且隨著(zhù)采樣長(cháng)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十幾個(gè)信號周期，參數估計的實(shí)時(shí)性不夠理想。另外，當信號中包含噪聲時(shí)，如何提高參數估計準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，而復數加法次數相同，另外將采樣的2個(gè)實(shí)序列組合成復序列進(jìn)行變換，將結果按公式轉換為2個(gè)實(shí)序列的FFT變換結果。模擬試驗表明，此種方法具有檢測實(shí)時(shí)性好，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)�；�于此種方法研制的16路電力諧波在線(xiàn)監視、分析裝置，諧波測量精度達到2％。
　（2）基波有功分量剔除法
　　從傅里葉變換出發(fā)，通過(guò)檢測負載電流基波有功分量來(lái)檢測諧波和無(wú)功電流。有畸變電流：
　　 
其中：iL（t）為單相電路中非線(xiàn)性負荷電流，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(jiǎn)單、所用器件少、適時(shí)性較高，不僅能適用于單相電路，而且也適用于三相四線(xiàn)制電路。

      基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測方法

　　瞬時(shí)無(wú)功功率理論解決了諧波和無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測及不用儲能元件實(shí)現諧波和無(wú)功補償等問(wèn)題，對治理諧波和研發(fā)無(wú)功補償裝置等起到了很大的推動(dòng)作用。
　　用Kaiser滑動(dòng)時(shí)窗截取諧波電流信號［5］，通過(guò)對窗函數參數的選定，能實(shí)時(shí)檢測出基波及各次諧波電流的正序和負序分量，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窗函數的表達式為：
　　 
　　經(jīng)過(guò)試驗測量，選取β＝8時(shí)，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達到一致或更好的精度。實(shí)際應用中，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(shí)時(shí)性。
�。�1）一種數字化的實(shí)時(shí)檢測方法
　　通過(guò)對影響諧波電流檢測精度的因數進(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(guò)程產(chǎn)生的頻譜泄漏。該方法不僅能實(shí)時(shí)提供有源電力濾波器所需的電流補償指令信號，還能以較高的精度檢測基波和各次諧波電流的正序及負序分量有效值。仿真結果證明了該方法的正確性，并且檢測精度可達0．3％以?xún)�，在研制�?0 kVA有源電力濾波器中得到了成功的應用。該方法特別適合在DSP編程實(shí)現，不僅能提供APF所需的電流補償指令信號，還能以較高的精度計算諧波電流的正序和負序分量有效值。該方法也同樣適用于諧波電壓檢測。
　（2）基于廣義瞬時(shí)電流的方法
　　在三相四線(xiàn)制系統下，考慮零序電流分量的存在，選擇并給出了αβO坐標系下廣義瞬時(shí)電流的定義： 
　　假設三相四線(xiàn)制電路中三相電壓對稱(chēng)，將瞬時(shí)無(wú)功功率的補償轉換成對瞬時(shí)無(wú)功電流的補償。將iαβO的瞬時(shí)有功電流分解成基波瞬時(shí)有功功率和包含因不對稱(chēng)引起的零序電流瞬時(shí)有功功率及高次諧波瞬時(shí)有功功率分量在內的電流兩部分。并給出了該系統下諧波電流和無(wú)功功率補償電路，基于此電路的仿真結果表明，該補償方法能有效消除電流諧波及無(wú)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 )應用于諧波測量，主要涉及網(wǎng)絡(luò )構建、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(lái)解決模式識別與人工智能中用傳統方法難以解決的問(wèn)題。

   小結

　　綜上所述，傅里葉變換是目前諧波測量?jì)x器中廣泛應用的基本理論依據；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論和小波分析方法應用于諧波測量，仍是目前正在研究的新方法，他可以提高諧波測量的實(shí)時(shí)性和精度；瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波的瞬時(shí)檢測，也可用于無(wú)功補償等諧波治理領(lǐng)域。
　　硬件設備的精度、速度和可靠性的快速發(fā)展，為實(shí)現高性能算法和實(shí)時(shí)控制奠定了基礎。諧波測量算法向復雜化、智能化發(fā)展；求解方法從直觀(guān)的函數解析，進(jìn)入復雜的數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；針對非穩態(tài)波形畸變，尋求新的數學(xué)方法，建立更為完善的功率定義和理論，將新理論應用于諧波測量；提出新的測量方法和測量手段，使諧波測量在精度和實(shí)時(shí)性方面取得突破，仍是人們關(guān)注的方向。