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电力谐波检测算法研究及其在有源滤波器上的应用 专业 ：检测技术与自动化装置 硕士生 ： 金济 指导教师：姜孝华副教授 摘要 电力谐波是电能质量的一个重要度量指标，实际应用中分为电力谐波检测和电 力谐波补偿两部分。本文主要研究电力谐波分量的精确快速的检测，并探讨将其应 用于有源电力滤波器，对电网谐波进行控制的可能性。 作者对电力谐波的历史，研究现状作了回顾，尤其是对现有的谐波检测技术做 了综述，其中包括常见的h 可算法， 尔曼滤波器，人工神经网络，小波分析，最 小二乘法。作者介绍了各种方法应用于电力谐波检测上的具体过程，对背景知识作 了比较详细的说明，就其优劣做了较为全面的比较。 在全面分析前人已有算法的基础上，本文根据能量最小化原理导出最小二乘法 可很好地估计谐波分量是最小二乘法新的应用。除此之外，文章还将其用于求谐 波的总畸变率t h d ，在满足一定条件下可以达到对t h d 完全准确的计算，该t h d 计算方法考虑了子谐波( s u b h a 肌o n i c ) 和问谐波( i n t c 血锄o i c ) 的影响，这是通 常的计算方法所达不到的。作者应用最小二乘递归算法对谐波进行实时跟踪和计算， 同时对噪声和频率偏差对谐波分量估计的影响也给予了足够饷考虑和分析。数值分 丰斥显示该算法具有很好的鲁棒性。 除谐波检测外，本文亦考虑了谐波抑制的实现问题，讨论了在应用有源滤波器 过程中存在的包括闭环控制，p w m 调制等细节。实验结果表明，论文提出的方法 及思路是可行的。 关键词：电力谐波能量最小化最小二乘法有源滤波器p w m 调制 t h ei k s e a r c ho fp o w e rh a 珊o n i c sd e t e c t i o nm e t h o d a n di t sa p p u c a t i o n st ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e r m a j o r ：m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e n 锄e： j i l ( i n g s u p e n r i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x i a o h u aj i a n g a b s t r a c t t h ep o w e fh 姗o n i c sa d d r c s s e da s 俩oi s s u e si i i c l u d i n gp o w c rh a 珊o n i c sd e t e c t i o n o rc s t i m a t i o n 姐dp h d w e fh 觚m o n i c ss u p p r c s s i o ni st l l ei m p o n a n tm e a s u r eo fp o w e r q u a l i t y i nt 1 1 e p o w e rs y s t e m s t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ep o w e rh a 咖o n i c c o m p o n e n t sd e t e c t i o nw i t hh i g l lq u a l i t ya n df a s tr e s p o n s e f u n h e m o r c ，t h e 印p l i c a t i o n s t ot h ea c t i v ep o w e r 丘l t e r sa n dt h ec o n t ls c h e m co fh 硼o n i c si i lt h cp o w e r s y s t e m sa e a l s od e a l tw i t h t h i sp a p e rb e g i i l sw i t hm et u t o r i a lo ft h eh i s t o r yo fp o w e rh a 皿o n i c sa n dc u n _ e n t s i t i l a t i o n s nm a l 【e sac o m p l e t ca n dd e t a i l c dh i s t o r yr c v i e wf o rt h em e t l l o d so fp o w c r h a 珊o n i c sd e 由e c t i o n ，n a m 】y ，t h eg e n e 翔lf f t ( tf 0 u r i e r t 砌s f o 硼a t i o n ) k a l m a n 丘l t c r m ea n i 丘c i a ln e u m ln e t w o r k s ，w a v e l e ta n a i y s i sa n di e a s ts q u a r e s a l s ot h er e a l i z a t i o n so f t h o s ca l g o r i t l l m s 柚dt i l e i rb a c k g 删m dh o w k d g ea 他i i l t i o d u c e d t h ca u t h o rm a k c st i l c n u n 地r i c a le 船m p l c sa n ds i i n u l a t i o n sw i m m a n 抽t h c 坨f o 坨t h c a l g o r i t h m sp r c n t c da m c o m p a r c di np a m m e t e re s t i m a t i o np r c c i s i o n ，化s p o n s ct i 眦孤di t si o b u s n l e s sa g a 诬s t n o i s e w i t ht h ea n a l y s i so ft h em e t h o d s ，t h i sp 印e rp r o p o s e st h cn e w 印p l i c a t i o no fi c a s t s q u a f c sm e t l l o d ( l s ) b a s e do nt l l ee n c r g ym i n i m i z a t i o np r i n c i p l ew h i c he s t i l n a t et h e p o w e rh a 姗o n i c sc o m p o d c n t sv e r yw c l l a st h ec a s e so ft h ea p p l i c a t i o n so ft h el s m e t l l o d ，t h et o t a lh a n l l o n i c si n d e xi sc a l c u l a t e dv i at h i sm e t h o d ，w h i c hs e a r c h e st h e e n e 玛yo fs i g n a l i no n ef i i n d 啪e n t a lp e r i o dw i t h o u te n d r su n d e fs o m ec e r t a i l lc o n d i t i o n s 柚dt a k e st h cs u b h a 瑚o n i c s 柚di n t e r h 釉o n i c si n t oa c c o u n tw h i c hc 柚n o tb er e a c h e db y s 0 m eo t l l e rm e t h o d s h io r d e r t om a k et h eg o o du s eo ft h em e t l l o d ，t h ef e c u f s i v ef o mo f l si si m p l e m e n t c d 1 tc o m p u t e st l i ep o w e rh a n n o n i c sc o m p o e n t sr c a lt i m e t h ca u l l l o r m a k e st h ee h o ta n a l y s i sa b o u tt h ed e v i a t i o n st ot h es u p p l y 丘e q u e n c ya d 也cn o i s ce 纸c t s o m en u m e r i c a le x a m p l e sr c v e a l e di t sm b u s t n e s s 弧i sp a p e fa l s oc o n s i d e r st h eh 蛐叫i c ss u p p f c s s i o nb e s i d e st h eh a 皿o n i cd e t e c t i o n a n dm e a s u r c m e n t t h es p e c i p r o b l e m si i lt h ep m c t i c e ，t h ep w ms t r a t e g ya i l dr e l e v a i l t c l o s e - 1 0 0 口c o n o ls c h e m ea r ed i s c u s s e d i nt h ee n d ，s i m u l a t i v ee x p e i i m e n t so nt h e s y s l e ma mp u to n ，a n dt h ef c s u 】tp f o v e st i l a t h em e t l l o da l l df 配l l l i i q u eo ft h et h 黜j si s r e l i a b 】ea n df e 髂i b 】e k e yw o r d s ： p o w e rh 锄o n i c s e n e 珏；ym i n i m i z a t i o np r i n c i p l e t h el e a s ts q u 眦s m e t h o dt h ea c t i v ep o w e rf i l t e fp w ms t r a t e g y 第1 章引言 1 1 电力谐波问题及其现状 现代社会工业生产和日常乍活都离不开电力供应，而且随着科学技术与现在化 建设的发展，对供电质量也提出了更高的要求，特别是越来越多的对电力供应波动 很敏感的电气设备，如电子计算机，通信设备，网络连接器，步进电机，数控车床 等。理想的供电系统保持单一不变的供电频率和特定的不变的幅度，例如我国民用 电的标准是电压频率为5 0 h z ，幅度2 2 0 v ( 允许在一定范围内波动) 。但在现实生活 中由于负载波动，外界环境变化等各种情况这些量包括频率量与幅值量却很难保持 恒定，即理想状态是不可能的。正因为如此，m c 和疋e e 协会都制定了一些标准， 给出了这些电量允许变化的范围，而我国也制定了相关标准，对供电质量提出了要 求。在电能的各项指标中，除了上述提到的电压频率和电压指标之外，从电力质量 的角度看还包括谐波畸变，电压波动，电压闪变，频率不稳，无功功率损耗等诸多方 面，其中电力谐波是表征电力质量的一个重要指标，各项电能质量指标中或许是其 中最恶劣的，因为它持续地存在于电网之中，而且难以消除。在电力电予设备还未 得到广泛应用前，谐波问题还未象今天这么急迫，但如今在现代电力系统中，由于 大功率半导体换流设备和电子调压装置的广泛应用，尤其是以晶闸管为代表的电力 电子元件的普遍使用，增加了大量单相或二相的非线性负荷，它们的这种非线性特 征在电网中产生了额外的谐波电流，给交流电网带来了非正弦电流，引起电力谐波 的注入，带来感性电力负载，二相电流的不平衡，造成电力系统供电质量下降，从 而引起了各种各样的问题。 随着经济的发展，人们对电能质量的要求越来越高，而保持适量的电网中的谐 波量是电网安全、稳定、经济运行的重要保障。人们对谐波的来源，所产乍的危害 以及检测抑制的措施进行了大量的研究，做了艰苦卓越的工作【1 - 2 1 】。对于电力系统 谐波的危害，当前已把这类问题与现代工业发展所带来的环境污染相类比，有一个 专用的名字称为“谐波污染”。 认识到电力谐波的危害后，研究人员采用现代电力电子技术，基于对电网电压 电力谐波检测算法研究及其在有源滤波器上的应用 和电流进行分析，并对电力谐波和功率因数进行实时跟踪处理和控制，研制提高功 率因数和消除或大幅减少电网谐波成分的设备，能够保证电力系统的安全运行，减 少能源损耗，提高电气设备的使用寿命，最终达到提高和改善供电和用电质量。近 二十年来，人们提出并研究使用了大量用于改善电能质量的p f c ( p o w e rf a c t o r c o f r e c t i o n ) 技术，而大多数p f c 技术是采用校正器级联在电源和负载之间，起校正 电源输出电流波形和相位的作用。为了使电源电流达到正弦波输出，p f c 需处理负 载所消耗的所有功率，因而要求p f c 容量较大，开关承受较大电流应力，损耗大。 另一方面，对于已有应用设备，安装极为不便。近年来包括谐波的控制和抑制主要 通过滤波器的使用来实现，其中并联无源型滤波器在一些电力设备中广泛地应用， 以此来降低谐波的畸变水平。无源型滤波器，顾名思义包含一些无源元件，电阻， 电容和电感。在谐波抑制的应用中，这些元件的参数被精确地选取，使之与所要消 除的谐波频率相匹配，故它们不能用来处理变负载情况下的谐波电流，只适合用来 进行预处理或对已知道谐波频率的固定负载电流进行抑制。然而更糟糕的是通常电 力系统中的谐波是以一种类似随机的方式出现的，相同的谐波分量持续的时间也非 常短。这时人们提出了许多有源电力滤波器( a p f ) 方案，并得到应用，以克服无 源滤波( p f ) 的不足，实现谐波控制。它在选取的时间点处注入和电网中的谐波分 量相反的电流，从而抵消掉谐波的影响，提高电网的质量。a p f 有并联型、串联型 等基本结构，用来抵消非线性负载产生的无功及谐波电流，相对于p f c 容量小，这 种方法的实现依赖于逆变器的结构和p w m 控制方法。普遍使用的逆变器包括电压 源型v s i 和电流源型c s l ，而v s l 被认为是一种更经济适用的a p f 逆变器结构。有 源滤波器及无源、有源混和滤波器可以动态补偿负载谐波和无功，净化电源，已有 很多研究成果涌现。 对谐波处理的实现有源电力滤波技术来说，其最先是于1 9 7 1 年由s a s a 醅和 m a c h i d a 在线性放大器的基础上提出的1 2 2 】。随后g y n 时i 等于1 9 7 6 年提出了基于 p w m 调制技术的电流型逆变器( c s l ) 和电流型逆变器( v s i ) 的有源滤波器【2 3 l 。但由 于缺少合适的半导体器件，这些设计都停留在理论或实验室水平。直到近年来半导 体工业的迅猛发展，各种具有很高开关频率的电力电子开关诸如绝缘栅双极晶闸管 ( i g b t ) 在市场上出现后，有源滤波器才方便和普遍起来。它们具有不同的结构分 筇l 章引言 为串联型有源滤波器，并联型有源滤波器，混联型有源滤波器，多逆变器有源滤波 器这四种 日几乎所有的有源滤波器都存在下述的缺点： 1 彳艮高的开关损耗：几乎所有的有源滤波器都使用了p w m 控制策略，这是因 为它的简单易操作性及较好的谐波抑制效率，f u 同时它也产生了开关损耗。如果在 很高功率下进行开关动作，即使技术上可行，实际损耗也会很大，效率也低，从而 在应用中难以忍受。 2 低有效性：连接到电网中的大多数有源滤波器只是一个独立的单元，一旦出 现故障势必会造成整个装置无法有效运行。 3 控制策略：有源滤波器既可在时域实现控制，也可从频域来着手。时域的波 形矫正即为从电力线中提取数据，虽然响应快，但不能按要求自如地控制频率分量。 频域的算法主要通过f f t 执行，虽然控制目标很明确，但较大的计算量是一个制约。 因此，如何突破上述限制，设计出性能既高，经济性又好，或两相折中最佳的 有源滤波器是一个非常有价值的课题，同时也是一个富有挑战性的课题。 1 2 课题目标 论文的选题是广东省科委十五规划课题，电力电了专项重大研究，“基于d s p 处理的电力谐波与功率因数综合质量控制系统的研制”的延续，论文的丰要目标是 设计一种有效易用的有源滤波器，可以方便地检测并抑制电网中的谐波内容，提高 电力供应质量，核心在检测方法的研究。 1 3 论文结构与组织 除后记外，包括本章引言论文一共分六章阐述电力谐波检测的新方法和其在有 源滤波器上的应用，第一章对谐波研究的背景，现状和意义作了简要介绍。第二章 丰要是论文背景和文献评述，包括对电力谐波相关知识的描述如谐波畸变率，e e 谐波标准和我国国家标准g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，介绍了无源和 有源滤波器并对有源滤波器文献做了回顾。第三章则是一个综述，总结了现有的大 多数电力系统通用的谐波提取技术，包括快速傅立叶变化，矗尔曼滤波器，人工神 电力；皆波检测算法研究及其在有源滤波器上的应用 经网络，小波分析和最小二乘法，其中的一些论述参考借鉴了a e s h a t s h a t 的”a n o v e lm o d u l a ra p p r o a c l lt oa c t i v ep o w e r - l i n eh a m o n i cf i n e r i n gi nd i s t 舶u t i o n ”中的 描述和写法。本章综述对这些方法应用于谐波估计的具体实现做了比较简单的推导 和说明。第四章是本论文的核心内容，详细地阐述了能量最小化原理在谐波参数估 计中的应用，如何从中推导出最小二乘法的过程。文中分析了最小二乘法在噪卢和 频率偏差影响下的误差，并给出了数值仿真算例，同f f t 和 尔曼滤波器做了比较。 该章节将其在实际中的执行具体化，发展了递归方法。另外作为最小二乘的一个应 用，它被用来计算总谐波畸变牢。接下来的第五章处理有源滤波器的实现和应用问 题，包括应用于电力谐波中的有源滤波器的基本原理，系统构成和辛电路，着重分 析了p w m 方法和实践中需要注意的问题。最后第六章是实验结果，作者对实验数 据进行了分析并对电力谐波处理问题作了进一步讨论和展望。 4 2 1 总评 第2 章电力谐波背景和文献综述 本章节主要对电力系统中的谐波问题作概述性的描述，我们将主要精力放在谐 波抑制方法在有源滤波器上的应用。营波作为电力供应质量问题在本章第二节提出， 我们将分析其产生的来源，影响及测量它的相关指标。第三节主要讲谐波抑制方法， 包括无源滤波器和有源滤波器的基本概念。 2 2 谐波电力质量问题 电力系统中的理想电压和电流波形是5 0 或6 0 h z 的正弦波( 我国和欧洲为5 0 h z ， 北美和日本为6 0 i z ) ，所谓谐波是指供电频率的整数倍或分数倍，其中频率为分数 倍的称为问谐波( i n t e r h a m o n i c s ) ，实际上在有些情况下电力系统中的谐波频谱甚至 是连续的。电力系统工程中，“谐波”一词早已广泛地用来描述实际波形和理想电压 及电流波形间的偏差，即谐波是对波形畸变的一种描述。当这种畸变超过一定限度 时便会带来一些不良影响。 文献【2 4 】作了比较好的描述，“电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代 就引起了人们的关注。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成电压，电流的 畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论 文【3 】。”那时主要的谐波源是变压器，而丰要的影响也只是对电话线的感应串绕。 但“到了5 0 午代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起 的电力系统谐波问题的大量论文。e w _ k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结。7 0 年 代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电了装置在电力系统，工业，交 通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。世界各国都对谐波问 题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学 术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。”，我国对谐波问 题的研究起步较晚。“吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐 5 电力谐波检测算法研究及其存有源滤波器上的应用 波问题较有影响的著作。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及 滤波是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等人和容建纲等人分别翻译了j a 币l l a g a 等的电力系统谐波一书，在国内有较大的影响。” 由上我们可以知电力谐波的研究绝不仅仅是理论上的要求和自我完善，象这种 技术理论一定有和实际结合非常紧密的现实需求和动力。如果我们仔细地考察的话， 便至少可以发现三方面的原因。随着经济的发展和社会的进步，在人类所进行的各 种生产和消费性活动中出现了诸多前所未见的用电设备，这些设备或其本身是非线 性负载，或因需稳定的特定的电力供应而装有电力电子变流装置，这些装置又是非 线性的，它们都产生了谐波，引起电网中的电压和电流发生畸变。就我们国家而言， 制定了相应谐波标准，并提倡一种“绿色电器”即其接入电网后，对电网谐波的影 响必须限定在某个范围内。那么我们必须对这个问题给予解决，一种方法是直接从 电器的结构入手，通过改变它的电路设计来减小谐波：另一种是研究一种通用谐波 抑制器。显然第一种涉及的问题太多太广且要求具体电器的知识，不太现实，它仅 在极少数场合有用比如发电机的设计。通用谐波抑制器具有通用性，广泛性。是目 前的发展方向。第二方面在于日前的很多精密设备需要非常稳定的电源，而当前的 谐波却会造成影响，导致供电不稳定。第二方面的原因是当前电力企业将要上市， 那么其要提供的电力质量必须合格。 谐波研究的意义，还在于其对电力电了技术自身发展的影响。电力电了技术是 未来科学技术发展的重要支柱，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进 行更为有效的研究。更可以上升到治理环境污染，维护绿色环境的角度认识。对电 力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子领域，要 求实施“绿色电力电了”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已成为全人 类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。 2 0 1 谐波畸变率 电力系统中实际存在的电压或电流波形和理想状态的差距可用各谐波分量来表 示，事实上在谐波检测时，人们倾向于准确得获知一些特定频率分量的大小。但是 6 第2 章电力谐波背景和文献综述 一般来讲，谐波频率分量是无穷的，而且有时我们并不需要知道每个具体分量的大 小，而只是希望对波形的畸变有一个非常直观方便的认识。让我们作如下考虑，理 想中电力线中的波形为5 0 或6 0h z 的正弦波，它是我们需要的信号，也是要提取的， 那么另外的所有除基波以外的谐波可以看作噪声。我们知道信噪比是度量噪声环境 下信号的重要指标，仿信噪比，谐波畸变可以表示为 刀q d ：生 “ ( 2 1 ) 这里4 叫= 为基波频率的有效值，4 。为谐波噪声的功率。 如果仅仅考虑整数个基波周期里的情况，且假设谐波频率都是基波频率的整数 倍，那么畸变率公式变为 胁霉：卓，4 ( i 黼个谐波分量的撼 ( 2 _ 2 ) h4 。 一般m d 应用于公共连接点处( p o i n to f c o m m o nc o u p h n g ，p c c ) 的谐波度量。 如果我们考虑单个谐波“噪声”占整个电流或电压信号的比重，那么另一个重要的 衡量指标是单次谐波畸变因数( t h ei n d i v i d u a lh a 加o n i cd i s t o n i o n 蠡c t 0 lh f ) 。单次谐 波畸变因数定义为第i 次谐波的有效值和基波分量有效值的比，即 h f = 4 4 + l o o ( 2 - 3 ) 肼的好处在可以具体度量某一频率的谐波对信号产生畸变的影响，事实上，某 些行业使用的电力电子设备比较集中，一些固定频率的谐波会占主导地位，这时使 用指标脚r 比n 更方便。 让我们再次考察强r d 的计算形式，当波形中存在间谐波，或不在整数倍的基波 周期内考虑时，由( 2 1 ) 式便无法推导出( 2 2 ) ，这时可以使用如下计算方法度量： m d _ 搬“( 啪一墨研出j 矗”2 出 ( 2 _ 4 ) 其中 o ) 为基波信号，n o ) = s o ) 一毛o ) 为除基波以外的噪声。 2 2 2 公用电网谐波标准 由于电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危 电力谐波检测算法研究及其在有源滤波器上的应丌】 害，2 0 世纪7 0 年代以来，世界各国相继制定并颁发了限制电力系统谐波的标准， 或由有关权威机构制定谐波的规定或导则。其目的是控制电网的谐波电压及营波源 注入电网的谐波电流。英国，美国，瑞典，荷兰，澳大利亚，前苏联，西德等国都 先后颁发了供电无谐波限制或防止谐波干扰的标准。国际大电网会议( g i g r e ) 和 国际电工委员会( c ) 都成立了专门工作组制定电网谐波以及用电设备的喈波限 制标准。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电 网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备免受谐波干扰而能正常工 作。很多标准都提出了谐波检测的一些方法，如m e e5 1 9 1 9 9 2 和c - 1 0 0 0 ，这些 标准的制定包括很多工作组，有些目前仍然在探讨之中如非整数次谐波的度量。我 们谐波抑制的效果将严格以这些标准为参照。 e e5 1 9 1 9 9 2 标准和m c 1 0 0 0 都是关于谐波限定的标准。我国国家技术监督 局于1 9 9 3 年发布了中华人民共和国国家标准g b 厂r 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网谐 波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。下面着重介绍匝e e5 1 9 标准。 i e e e51 9 - 1 9 9 2 全名为”e er e c o m m e n d e dp m c t i c e s 粕dr e q u i r e m e n t s 向r h a f i i l o n i cc o n t r o li ne l e c t i i c a lp o w e rs y s t e m s ”，后来对此标准又有一个补充，直到如 今m e e5 1 9 各个工作组依然在对谐波标准进行不断的完善。另外e es t d3 9 9 1 9 8 0 i i l d u s t i i a la n dc o m m e r c i a lp o w e rs y s t e ma i l a l y s i s 呻h a 肌o n i ca n a l y s i ss t l l d i e s 和 匝e es t d1 1 5 9 1 9 9 5 ”e er e c o m m e n d e dp m c t i c ef o fm o n i t o 抽ge l e c t i i cp o w e r q u a l i t y ”里均涉及电网谐波处理和控制。事实上e e5 1 9 标准早在1 9 8 1 年就和无功 功率补偿一起被提出来了，它也被作为美国国家标准使用”l e e eg u i d ef o rh a r m n i c t r o la n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o no fs t a t i cp o w e rc o n v c n e r s ”。1 9 9 2 年砸e e 对此标准 进行了修订并将谐波控制部分独立出来以突显其重要性。下面我们对正e e 有关谐 波标准进行系统地梳理与历史介绍，试图从其变化中找出一些规律性的因素来。 e e5 1 9 在1 9 8 1 年提出来的时候只有比较短的五十四页篇幅【3 1 】，就谐波部分 来讲主要分为基本定义，分析计算方法，检测和推荐的常规处理谐波方法。 在基本定义里这个标准给出了后来常用的一些术语，当然很多是早已经开始使 用的，比如说谐波。它的定义是具有频率为基本频率的整数倍的周期波形的正弦分 量，这点我们要予以注意，它和后来修订的标准是有区别的。此外还有特征谐波( 由 8 第2 章电力谐波背景和文献综述 半导体转换器件正常运行所产生) ，非特征谐波( 另外的区别于特征谐波的) 以及类 似t h d 的谐波因数( h a r i n o n i cf a c t o r ) ，也称为畸变因数( d i s t o n i o n 妇c t o r ) 。值得一 提的是关于“正弦波的偏差”( d e v i a t j o n 胁mas i i i ew a v e ) 的定义，它是由于谐波分 量导致正弦波畸变程度的度量：畸变后的波形与基波最大偏差的绝对值和基波顶点 值的比值。 i e e e 5 1 9 1 9 8 1 标准简单地提到了谐波的来源然后直接转入谐波控制问题，提出 了三种技术：分流器( s h u n t 矗l t e f ) ，增加相数( p h a s em u j t i p 】i c a t j o n ) 和谐波补偿或 注入( h a m o n i cc o m p e n s a t i o no r i n j e c t i o n ) 。分流器是降低流入交流电网中的谐波电 流，它包含一组l c 电路，一般使用在h v d c 传输系统中用来调谐5 ，7 ，1 1 和1 3 等谐波。相数增加的方法用在多相变换器中，比如在逆变器中用3 6 相电路比6 相电 路含更少的谐波，相当于对所需要的正弦波做更好的近似。但上面两种方法都不能 普遍应用，因此一般情况下谐波补偿就成为首选。e e5 1 9 1 9 8 1 从谐波计算的角度 给出了电路的分析方法如互感，畸变因数等的计算。在谐波检测部分，i e e e5 1 9 - 1 9 8 1 标准指出了需要观察利测量的参数。 m e e5 1 9 1 9 9 2 标准【1 】比较1 9 8 1 标准而言，对谐波产生来源( h a r m o n i c g e n e f a t i o n ) 和危害做了更广泛更深入的阐述。在谐波分析问题上有了一套更详细的 方法如用电流源建模非线性负载，系统频率响应的分析，分析的简化等，尤其值得 重视的是提到了计算机仿真在谐波分析中的重要性。在谐波测量部分不再像1 9 8 1 标准一带而过，而是很认真地提出测量中要使用的器件，示波器，频谱分析仪，电 流，电压传感器等。事实上这部分是关于测量的一些指导，也可称为标准操作。它 对仪器的精度，如何选择，如何对一些异常点的处理( 如s n a p s h o t ) 甚至谐波数据 的规范化写法均提出意见。正e e 5 1 9 1 9 9 2 推荐措施比1 9 8 1 标准分得更细，包括个 人用户( i n d i v i d u a l n s u m e r s ) 和电力公司( u t i l i t i e s ) 两种而1 9 8 1 标准则将重点放 在个人用户和电力公司的接口处，公共连接点( t h e p o i l l t o f c o m m o nc o u p l i i l g ，p c c ) 。 关于个人用户和电力公司的度量方法有些不一样，由于完全避免谐波是不可能的， 所以1 9 9 2 标准对p c c 处的谐波提出了一些指标限制。提出这些指标和讨论这些限 制是件很有趣的事，首先这些指标必须在物理上有意义并且同谐波影响的严重程度 相关。其次它要能被检测到以判断是否满足该限制，最后谐波指标必须简单实用能 9 电力谐波检测算法研究及其存有源滤波器上的应用 被方便的广泛使用。满足这些条件的推荐谐波指标有( 1 ) 缺口深度( d e p t ho f n o t c h e s ) ，总缺口面积( t o t a ln o t c ha r c a ) ：( 2 ) 单个利总电压畸变；( 3 ) 单个和总电 流畸变。电力公司必须监测因数包括电涌，跨步电压和接触电压( s t e d a n d t o u c h v o l t a g e ) ，闪变，除这些外谐波畸变也是重要参考，1 9 9 1 标准的推荐畸变限制是对 p c c 处单个用户的最大畸变电压的限制。如果检测到超出限制，那么将执行如下步 骤：( 1 ) 测量p c c 处指标，检测到某个用户超出谐波标准，要求其安装滤波器降低 谐波或减少谐波源；( 2 ) 安装滤波器控制谐波；( 3 ) 安装一条新的支线( f e e d e r ) ， 孤立谐波，但从经济上讲不是总可行。 2 2 3 谐波源 如果电网中只有线性负载，很容易知道电流波形和电压波形将保存一致，除了 信号幅度和存在时间延迟或超前，因丽不存在谐波问题。但电网中广泛存在非线性 用电设备，或称非线性电力负荷。它们是电力系统中某些地区或网络出现严重谐波 影响的主要原因。这些非线性用电设备可以划分为以下几类： ( 1 )电力电子装置。电力电子装置近年来发展迅猛，是最严重的谐波源。它 有多相和单相之分，从功能看，有整流，逆变，交流调压和变频之分。 大型的有达百万千瓦级的h v d c 装置和大型铝j 的整流装置，小型的 有电动机节能器，家用调光灯等。影响面积较大的单相换流装置用于工 频交流电力机车。 ( 2 ) 电弧炉。通常所谓电弧炉是指交流电弧炉，用于钢铁冶炼。大型电弧炉 的发展方向是采用更经济有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电 弧炉由整流器馈电，故应列入电力电子装置。铁合金矿石炉，电石炉和 电弧炉虽都采用石墨电极来注入熔化电流，但用电特性有很大差别。 ( 3 )家用电器。例如日光灯，电视机，调速电扇，空调，冰箱等。 ( 4 ) 高新技术应用的诸多设备。例如电予计算机，敏感电予器件，功率调节 器，激光切割设备，卫星传送器，核磁共振设备，节能灯等。 各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长率。这一事 1 0 第2 章电力谐波背景和文献综述 实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 2 2 4 谐波危害 电网谐波可产生一系列不好的影响如信号干扰，过电压，导致电路断路器工作 失败，器件发热，损失等等。e e 电力喈波工作组列出了下面一些谐波可导致的 问题： ( 1 ) 可使电介质损坏和无功功率过载而导致电容器组无法工作。 ( 2 ) 干扰纹波控制和电力线载波通信，致使执行负载计量，远程开关的系统 发牛错误操作。 ( 3 ) 导致感应电机和同步电机发热，并造成额外的损失。 ( 4 ) 电网中出现多余电流和电压，引起共振和谐波。 ( 5 ) 绝缘电缆电介质损坏直接导致谐波电压超调。 ( 6 ) 对电信系统产生干扰。 ( 7 ) 在测量读取时产生错误。 ( 8 ) 在微处理器控制系统中产牛信号干扰，延迟误操作。 ( 9 ) 干扰大型电机控制器和电厂励磁系统。 ( 1 0 ) 导致异步电机和同步电机的机械振荡。 ( 1 1 ) 过零检测和锁定触发电路的不稳定操作。 2 3 谐波抑制技术 研究有效的治理谐波措施，是确保谐波标准得以全面有效执行的技术基础，各 国都在致力于这方面研究，积极探索各种抑制谐波的技术和手段，其中包括：限制 谐波源谐波电流的注人量；提高各种供用设备的抗谐波能力；新型滤波装置的研制 等。 2 3 1 无源谐波器 交流无源滤波装置由电力电容、电抗和电阻等无源元件通过适当组合而成，即 电力谐波榆测算法研究及其在有源滤波器上的应用 所谓r l c 滤波器。迄今为止这种无源滤波器仍是使用最普遍，在技术和经济上都较 合理的抑制谐波的方式。常用的几种有单调谐滤波器，双调谐滤波器，双调谐高通 滤波器，二阶高通滤波器，三阶高通滤波器，c 型阻尼高通滤波器，我们以单调谐 滤波器为例说明它的工作原理。 单调谐滤波器原理图如图2 1 所示，滤波器的作用是对谐波起分流作用，即使 谐波电流只有小部分流入电网，绝大部分通过滤波器流入地下，原理如图2 2 ，其 中r s 表示电网负载，z 为单调谐滤波器阻抗，i i l 为电力谐波源。设 次单调营滤波 器在角频率饥= m 时的阻抗为 z = 尺+ ，( 越一去) 其中为基波频率，显然当 l = 1 c 时发生谐振，电流主要通过滤波器流入 地下而只有较少谐波电流i r h 进入系统中。 c l r hi 巾 h 。r s z i c 十 。 t + r 图2 1 单调谐滤波器图2 2 无源滤波器抑制谐波原理图 2 3 2 有源谐波器 无源滤波装置虽然应用十分广泛，但也存在一些问题，如当系统结构或参数发 生变化滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，且对电压波动、负序等 不能综合治理。随着大功率电力电了器件技术的发展和突破，逐步出现采用脉冲调 制，m ) 技术等构成的有源电力滤波器( a p f ) 。a p f 将与谐波电流大小相等，方向 相反的补偿电流注入电网中，以达到控制谐波的目的。为改善a p f 的性能，提出了 矢量控制策略，使a p f 可以起到抑制谐波和闪变并平衡二相电压或电流的作用。从 无功补偿和抑制闪变的性能看，a p f 与s v c ( 静态无功功率补偿器) 是等同的，但 s v c 与f c ( 电力系统滤波器) 一起使用才有滤除谐波的作用，而a p f 本身就可以 抑制谐波和负序，这是a p f 与s v c 的不同之处。a p f 的研究在西方国家起步较早 1 2 第2 章电力谐波背景和文献综述 其装置基本达到实用水平，我国仍处于工业试验阶段。关于a p f 的控制方法在理论 上还不完善有待于进一步研究，具体技术理论参见第五章。 2 3 3 其它技术措施 除安装有源或无源滤波器外，还有一些其它的技术可以抑制谐波，只是这些方 法不具有普遍性罢了。可用的方法有a 增加系统承受谐波的能力，可以增大系统容 量，但这有待于电力系统的发展。另一方面可以将谐波源负荷改由容量较大的母线 供电，或由高一级电压的电网供屯。b 提高供电和用电设备的抗谐波标准，按电磁 兼容的有关标准，系统中的各种供用电设备的抗谐波干扰的能力应高于系统的谐波 兼容值，在设备的设计牛产中应制定相应的标准加以规定。c 从目前看，系统谐波 电压一般在深夜至清晨这段时间内较高，从而使变压器铁芯饱和，励磁电流谐波增 加，从降低系统谐波电压水平看，将系统的运行电压控制在合理水平是有效措施之 一 1 3 3 。1 概述 第3 章谐波检测技术 第二章简略阐述了谐波控制的滤波器实现技术问题，我们知道在有源滤波器的 应用上，如果知道基波分量，那么畸变信号也随之获得，就能产生一个与之大小相 同，方向相反的信号去补偿畸变。因此问题变为如何有效地获取基波分量，这个就 是谐波检测技术要研究的问题之一。 从电力谐波中提出基波分量最终可归结为信号处理问题，过去的几十年间，信 号处理方法和电力信号中的具体情况相结合，产牛了无数的谐波检测技术，但可以 总结为几大类，通常使用的有如下几种：最早使用的，也是最常用的快速傅立叶变 换( h 叮) ，卡尔曼滤波器和人工神经网络( a n n ) ，其余的还有嫩标变换法，小波 分析法，频率划分法，时频分析法等等方法，有些处理得更深入，比如考虑到时变 信号和间谐波，有些是时域的方法，有些是频率的，还有一些是时频综合处理，它 们各有优点，也有劣势，如何找到一个较好的方法取长补短或折衷似乎是一个方向。 这里必须要提到的是本章的体例基本上是参照a e s h a 曲a t 的一an o v e lm o d u l a r a p p r o a c ht 0a c t i v ep o w e r _ l i n eh a 栅o n i cf i l t e 血gi l ld i s t 曲u t i o n ”关于检测技术综述 章节，他的叙述已经非常全面精练，且对这些方法做了很好的比较，不觉生出“眼 前有景吟不得，崔颢题诗在上头”之感，当然在具体问题的写法上还是有很多不同 的。 3 2 离散傅里叶变换 法国数学家傅里叶于1 8 2 2 年提出假设：任何以周期t 重复的函数，均可用一 正弦基波及一系列的高次谐波分量之和表示，而这些高次谐波分量的频率都是基波 频率的整数倍。傅里叶变换将时间域的信号变换到频率域中研究，能更好得找到规 律。自快速傅里叶算法发明以来，它在和信号相关的领域得到了广泛的应用，能在 1 4 第3 章谐波检测技术 可以接收的时间内计算出频率分量，当然它的分辨率取决于时间的长短。其逼近连 续傅立叶变换的程度取决于补零的多少。显然，电力谐波是一个天然的傅里n | 级数， 基波的提取非常适合用离散傅里叶变换，它的使用是自然的，也是方便的，其基本 原理如下。 设周期性电压( 或电流) 信号j ( f ) ，则s o ) 的傅立叶级数的展开式为 s ( f ) 2 口。2 + 芝( 口t c o s t “+ s i l i 七“) ( 3 _ 1 ) 则 吼2 氰5 0 ) s 耐矽 玩2 瓤5 ( f ) s i n ( m 妙 ( 3 2 ) 为便于处理，将式( 3 2 ) 离散化，每周期取样n 点，并归一化，有 ”号黔胭c t 和 吃= 号黔) s i n 喀z ) ( 3 _ 3 ) 式( 3 3 ) 可以通过快速博里叶变换计算出，再结合d s p 系统功能强大的指令集，可以 在毫秒级内得到谐波信息，显然n 。和岛构成基波分量，具体过程参见文献【3 2 】。当 电网信号是缓变的周期信号，匕述过程才可行，否则