【《电力系统谐波检测分析理论基础综述》4100字】

电力系统谐波检测分析理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u169631.1谐波的基本理论 1317521.2谐波产生的原因和危害 353921.1.1电力谐波产生的原因 422240本文研究的谐波控制方案主要针对非线性负载产生的谐波。 427851.1.2电力谐波的危害 425083谐波的存在可能会导致仪表显示出现错误，并且仪表可能无法正常工作。 594791.3.1基于小波变换的谐波检测方法 5240051.3.2基于希尔伯特-黄变换的谐波检测法（HHT） 6238301.3.3基于人工神经网络的谐波检测法(ANN) 653661.3.4基于傅里叶变换的谐波检测法(FFT) 71.1谐波的基本理论在目前这个国际上，功率和电谐波的基本定义一般是：“谐波是存在频率频率的电量，它是一次波的整数系数”。传统上，电网电路中的两个稳态移动输出输入电源和动态输入输出电压的正弦波形都被普遍认为应该是一个基于工频的正弦波。当我们需要执行一些诸如它的加法，减法，对于余弦微分和它的积分等各种运算时，周期性的正交余弦微分函数仍然可能会继续保留正交余弦微分函数的一些基本特征。因此，主电源应具有尽可能多的正弦信号。项称为基波，谐波的频率是基波频率的整数倍，所以项称为3次谐波，项称为5次谐波……通常将各奇次的谐波统称为奇次谐波，偶次的谐波统称为偶次谐波。在实际电网中，有时，会发现正弦波的某些部分的频率并不是基本频率的一个理想系数，其中某些部分被统称为基本谐波和间部分谐波。能量频率频率以下激素之间的谐波又被称作次谐波。当三相测量电路为星形连接且相电压为非正弦波时，系数为3的谐波为谐波零序，因此电压线无谐波且系数为3。电路参数在谐波作用中也更加复杂。线性刺激和电容器的反应与谐波序列成正比和成反比。正弦电压可以设为：（2-1）式中：——角频率；——电压的幅值——初相角；对周期为的非正弦电压而言，可以分解为下式：（2-2）式中：(n=1，2，3)(2-3)式中：和的关系为：（2-4）初级波是1/T分量，谐波是其频率大于整数频率系数1的初级频率分量。可以使用上述原理和定义来确定非正弦电压和非正弦电流。（1）基波：周期大小的傅立叶级数的一阶部分；谐波、周期量级的傅立叶级数的一部分，其阶数大于1。具有除主要频率频率之外的频率的波统称为谐波。谐波含有率：在周期电流的大小中，它是n次谐波分量的rms值与一次波分量的rms值之比，并表示为百分比。第n次谐波电流含有率：(2-5)第n次谐波电压含有率：(2-6)（3）总谐波畸变率：它表征了波形的失真程度（以百分比表示）。这是周期电量的谐波分量与电波基本分量的有效值之比。电压总谐波畸变率：(2-7)电流总谐波畸变率：(2-8)(2-9)(2-10)式中：U——电压有效值，kV；I——电流有效值，A。（4）谐波电量（电压和电流）是周期性电气量中含有的各次谐波分量有效值的方均根值。谐波电压含量为：(2-11)谐波电流含量为：(2-12)（5）按谐波顺序将其分为偶次谐波，奇次谐波和间谐波（非整数谐波）。奇数次谐波：奇数次谐波（n=2K±1，k任意正整数），偶数次谐波：偶数次谐波（n=2K，k任意正整数）。1.2谐波产生的原因和危害1.1.1电力谐波产生的原因理想情况下，高质量电源应提供正弦功率。然而，实际上，由于某种原因，电源电压的波形不同于正弦形式。换句话说，产生谐波。电力线谐波主要由各种UPS设备和其他间接负载产生。如果不充分地使用基本正弦电压（其中电阻阻抗值为零），则该负载的电流输出会与其施加电压波的频率和波形不同，并且输出的失真电流会直接影响到该配电装置的工作环路。系统中的主要谐波来源大致可以划分为以下两类：（1）由非线性半导体材料制成的谐波源，各种维修装置，交流稳压器，开关装置，带直流驱动装置的整流器，PWM逆变器，相控逆变器，先进的节能工业机械和电子控制装置的功率；(2)谐波源主要包括电弧和铁磁装置不兼容，交流电弧，交流焊接装置，荧光灯和风力发电机，变压器和铁磁谐振装置等。本文研究的谐波控制方案主要针对非线性负载产生的谐波。1.1.2电力谐波的危害在电气系统中，谐波污染，电磁干扰和能源因素的减少已成为三大公共风险。（1）致使供电线路及其他用电装置的热损耗大大增加①线路中的谐波的影响对于一个电源线，集肤效应和相互邻近效应都会导致该线路的电阻在一定频率下急剧地增加，从而导致线路内损失大量能量。另外，在电气系统中，中性线中的导线非常小，因此电话的直径通常很小。当大量的电流和谐波从导体中流向其他中性导体时，中性导体就会产生大量的热量，这不仅会损坏隔板，还会引起短路或起火。当谐波频率接近或等于最大谐振电压时，会产生很高的谐振电压。在极端情况下，电源系统或电气设备的绝缘不良会导致严重事故。②对电力变压器的影响谐波的产生和存在可能会导致磁滞损耗，电流损耗和电力变压器中青铜损耗。对于不同负载的一台变压器，这会显著地增加感应电流的大小。③对电力电容器的影响由于功率电容器的谐波电阻很低，因此当产生的谐波电流大于超过了基极的谐波电流时，流过功率电容器的谐波电流就会显著地增加，功率电容器的温度会显着增加，电容器会过载或爆炸。同时，谐波也有可能与整个电网内部的一个电容器产生谐振，并向其传递给整个电网。④对电机的影响（1）谐波会增加电动机的额外损坏，引起机械振动，产生或引起谐波过电压，并使电动机绝缘。（2）对继电保护和自动装置的影响在电磁式继电器中，电力谐波会直接引起自动保护继电器和其他自动装置发生故障和击穿，从而导致降低了整个继电器和保护系统的工作可靠度，导致了系统的故障并且增加了系统的故障。（3）对通信线路产生干扰。当低频和高振幅奇数谐波电流流过电源线时，通过通信线的电磁耦合会在电源线旁边产生干扰电压。这破坏了通信线路的正常功能，降低了对话的清晰度，并导致了通信线路的破坏。（4）对用电设备的影响电源谐波会导致电视和计算机显示屏的亮度波动，扭曲图像和图形，甚至损坏设备的内部组件，从而使它们无法使用或无法使用。（5）对产品质量的影响当特定的谐波频率影响电气设备时，设备会变得不稳定，并且产品质量会下降。在严重的情况下，将取消连续生产。（6）谐波对计量仪表的影响谐波的存在可能会导致仪表显示出现错误，并且仪表可能无法正常工作。1.3谐波的检测算法谐波检测方法按常规方式来划分，可以分为频域检测法、时域检测法和其他方式检测法；按是否具有选择性来划分，可以分为需要单独检测每个谐波幅度的选择性检测法和将电流直接分开成基波和谐波分量的非选择性检测方法。下面对基于小波变换的谐波检测法、基于傅里叶变换的谐波检测法、基于希尔伯特-黄变换（HHT）的谐波检测法、基于人工神经网络的谐波检测法、以及近期出现的一些新方法进行介绍。1.3.1基于小波变换的谐波检测方法20世纪90年代，首先提出小波转换以分析电力系统中产生的非固定谐波畸变。小波转换时间频率窗口显示出良好的时频特性和良好的计算精度，其非常适合于分析稳态和临时时间相关信号，因为频率窗口可以根据检测到的谐波产生自适应变化。同时其他技术的进一步发展，进一步提高了嵌入式系统计算的能力，例如数字信号处理器（DSP），小波变换逐渐占据电力系统谐波检测的主要位置。1.3.2基于希尔伯特-黄变换的谐波检测法（HHT）目前，进行谐波检测的算法很多，如FFT、短时傅里叶、小波变换等，但大多擅长处理线性的平稳的信号，对于非线性非平稳信号在处理时误差较大。如FFT算法在分解信号时，只能判断出该信号包含哪些频率的信号，而不能清楚的知道各个频率出现的时刻。尽管后来出现了相关的改进算法比如短时傅里叶算法，但其效果仍然不理想，无法摆脱FFT在处理非平稳信号时的局限性。小波变换处理非平稳信号在理论上可行，但在实际处理过程中仍然存在很大问题。HHT算法由于其理论基础，在处理非线性、非平稳信号时具有先天优势。而且现实生活中实际信号大多是非线性、非平稳的，完全平稳的信号几乎没有，HHT则正好可以很好地弥补这一缺点。HHT具有完全自主调节适应的特性。不论是FFT算法还是小波变换，都是需要工作人员在处理信号前选定基，而选择的不同会直接导致最终得到的结果出现较大差异。小波基的选取往往依靠工作人员的实际经验，这一做法无疑会引入人为误差。HHT算法则不同，其基的产生完全取决于被测信号本身的特性，是可以调节的。HHT的适应性不仅可以消除人为差，同时也能反映出被处理信号本身的特征。HHT不受Heisenberg测不准原理的束缚。该原理在很多信号处理算法如FFT、ANN等中都存在。简单来讲，就是算法在处理信号时不能同时在时域和频域两个维度得到高精度，要想提升某一维度的精度必要牺牲另一维度的精度。而HHT算法由于其结构独特性，不会受该原理的束缚，使用HHT算法可以同时在时域和频域中获得高精度。HHT的瞬时频率具有局部性。相对于其他算法，HHT在获得信号的瞬时频率的方法另辟蹊径，其瞬时频率是相位函数求导产生的，是局部的。1.3.3基于人工神经网络的谐波检测法(ANN)随着人工神经网络技术的发展，其用途越来越广泛，早已不只是当初神经生物学的分支，应用领域也已拓展到模式识别、智能控制、信号处理、图像处理、最优化问题等领域。在电力谐波检测领域，人工神经网络技术同样受到重视，并已将其应用于具体的工程实践中去。王群、吴宁等人通过构造多层前向神经网络实现了对谐波幅值和相位的非线性映射，并且结合离线和在线的训练方式以适应不同的工作情况。危勃勇、李志勇等人将锁相技术引入到了电力谐波检测中，除了在线训练神经元网络之外，设计还可以执行二次过滤，并且可以在指定谐波的幅度和阶段执行实时测量。与传统的谐波检测方法相比，人工神经网络检测方法计算量小，实时良好，检测精度高，能够根据不同要求实时地检测出任意次整数谐波，并且抗干扰性强。1.3.4基于傅里叶变换的谐波检测法(FFT)快速傅里叶变换方法（FFT）检测精度高是最广泛使用的谐波检测方法，但是在计算操作时，检测花费时间长，实时检测误差更大。如果采样与信号周期不同步，则会出现频谱泄漏和栅栏效应的致命缺点，导致检测误