电力系统谐波和无功电流检测综述

[摘 要] 分析目前常用的电力系统谐波和无功电流的检测方法，指出了基于瞬时无功功率理论的谐波检测法延时小，实时性好；基于傅里叶快速变换的检测法既可检测谐波又可用于频谱分析。 关键词 谐波 检测 瞬时无功功率 傅里叶快速变换 1 引言 当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成为电力系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如变压器及铁磁谐振设备等。 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，这加剧了对电网的污染。这些非线性负荷引起电网波形畸变，产生电网谐波。电网谐波使电能生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热，产生振动和噪声，并使其绝缘老化，使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁；引起电力系统局部并联谐振或串联谐振；引起继电保护装置误动作，使电能计量精度下降。另外，谐波还会对通信和电子设备产生严重干扰。目前谐波、电磁干扰和功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。 为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流，首先必须精确检测负载电流中的谐波分量，谐波和无功检测是进行谐波抑制和无功补偿的关键技术。本文在介绍谐波的检测和分析的传统方法的基础上，详细分析了谐波和无功电流检测的一个重要趋势一一瞬时无功功率理论，即“p-q”理论。 2 谐波的检测和分析方法 现有谐波检测法按原理可分为：①模拟滤波器。②基于Fryze传统功率定义的谐波检测法。③基于瞬时无功功率理论的谐波检测法。④基于傅里口十变换的谐波检测法。 2.1 模拟滤波器 模拟滤波器有两种，一是通过滤波器滤除基波电流分量，得到谐波电流分量；二是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波电流分量，其原理和电路结构简单，能滤除一些固有频率的谐波。这种检测方法误差大，实时性差，电网频率变化时尤其明显；此外滤波器中心频率对元件参数十分敏感，这样要得到理想的幅频特性和相频特性很困难，并且该方法也不能分离出无功电流。 2.2 基于Fryze功率定义的检测方法 基于Fryze传统功率定义的谐波检测法其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流（包括谐波电流）。它的缺点是：因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其他运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。 2.3 基于频域分析的FFT变换检测方法 利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A／D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。该方法检测精度高、实现简单、功能多且使用方便，在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。但计算量大，因而实时性不够好。对非整数次谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等缺点，从而使检测出的谐波幅值、相角和频率有误差。泄漏误差来自两方面，一是信号负频分量引入的长范围泄漏；二是窗扇形损失引入的短范围泄漏。提高其检测精度的关键在于减小泄漏和其他误差，通常用加窗算法、插值算法、双峰谱线修正算法解决。 2.4 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 瞬时无功功率理论，即“p-q”理论，是1983年由赤木泰文提出，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础。以该理论为基础，对三相电路的谐波和无功电流实时检测，在检测谐波、无功电流方面得到了广泛应用。传统功率理论中的有功功率、无功功率等都是定义在平均值基础或相量意义上的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况，而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波的任何情况。它的基本原理是将三相坐标x、y，z中的电压和电流转换到两相坐标α、β、中，然后在两相坐标系中分别计算瞬时有功功率和无功功率，再根据计算得到的瞬时有功电流和无功电流，计算出三相电路中的谐波电流和无功电流。 首先对电流进行park变换，将三相的旋转电流转换到dq0系统中。设三相电路中各相电压和电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c。将它们变换到α－β两相正交的坐标系上，可以得到α－β坐标系上的两相瞬时电压和电流。式（1）和式（2）分别是电压和电流的变换式 式中，G₃₂是三相到两相的坐标变换阵。在瞬时功率理论中，对于谐波和无功功率的计算分别有有功瞬时功率p、无功瞬时功率q运算方式和i_p、i_q运算方式两种方法。对于三相三线制电路，如果电网电压不发生畸变，两种运算方式都能准确地检测出谐波和无功电流。但如果电网电压发生畸变，p、q运算方式对谐波和无功电流的检测结果都有误差，而i_p、i_q运算方式不受电网电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。I_p、i_q方式的运算式为 在该方法中，需要用到与a相电网电压e_a同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。i_p、i_q，运算方式检测三相谐波电流的原理图如图所示。 瞬时无功功率原理简单、动态响应速度快、延时小。尽管不同的谐波源和滤波器其延时不同，但延时最多不超过一个电源周期，对三相整流器谐波源检测的延时仅为1／6周期。可见该法实时性较好，既能检测谐波又能补偿无功功率。笔者根据以上的原理，利用Matlab软件对三相可控整流的谐波电流进行了仿真实验，仿真结果表明，瞬时无功功率理论下的谐波电流和无功电流检测，能准确及时地检测出三相电路中的谐波电流和无功电流。这种谐波检测法在有源电力滤波器中，应用最多。 在抑制谐波和无功电流的方法中，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时性好，延时小，既能检测谐波又能检测无功；基于傅里叶快速变换的谐波检测法，在谐波检测、无功补偿和频谱分析方面，均获得较广泛的应用，这两种是目前采用的主要方法。此外，除了上述对谐波和无功电流的检测方法外，还有基于神经网络的谐波检测法、基于自适应对消原理的谐波检测法、基于小波分析的谐波检测法等。这些谐波检测方法则是极具潜力的新型谐波检测法。 5 结束语 随着电力系统的不断发展，非线性设备越来越多，电力网络的结构也越来越复杂。这种情况下，电力系统的谐波问题就受到关注。因此，检测和抑制谐波已成为电力系统工作中不可忽视的环节，日益受到重视。 本文所介绍的方法是目前电力系统谐波检测的主要方法，随着技术的进步，人们对电网质量要求更高，谐波检测方法在向智能化、多功能实用化方向发展，计算方法从直观的函数解析过渡到精确的分析和信号处理；谐波检测效果向高精度、高速度和实时性好的方向发展；并且逐渐和控制目标相结合。