胡 敏

兩種典型的諧波檢測方法的比較

胡 敏

胡 敏 張海燕 奚思建

重慶科技學院，電氣與信息工程學院

1 引言

諧波對電網(wǎng)的危害不容忽視，所以研究諧波檢測的方法，檢測出諧波并進行抑制，以達到電能穩(wěn)定，提高電能使用效率至關重要。諧波檢測的方法很多，最典型的就是基于傅立葉變換的諧波檢測和基于瞬時無功功率理論的諧波檢測。本文就這兩種方法的基本思想、適用范圍、各自的優(yōu)缺點進行比較，并進行仿真分析驗證各自優(yōu)缺點。

在發(fā)電廠電力系統(tǒng)中，電力的生產(chǎn)、傳輸和輸送以及各種非線性的電力設備都會產(chǎn)生諧波，諧波的存在會降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流經(jīng)過中線時會使電路過熱甚至發(fā)生火災等等，為了避免這些情況的發(fā)生，檢測出諧波并加以抑制至關重要。掌握電力系統(tǒng)中諧波的實際情況，對防止諧波危害，維護電力系統(tǒng)的安全運行意義重大。現(xiàn)在已經(jīng)提出了很多單相電路諧波檢測的方法，如多種有源電力濾波器單相電路諧波檢測方法，基于三相瞬時無功和基于單相瞬時無功的諧波電流檢測，直接計算法等。

在抑制諧波方面，大致的方向有兩個：濾掉諧波，即用相關的帶通濾波器先濾掉基波信號，然后將輸入信號與濾波后的信號進行相減；對諧波進行補償，即產(chǎn)生與諧波幅值相同，方向相反的電流信號，然后與諧波信號進行抵消。

2 兩種典型諧波檢測方法的基本思想

基于傅里葉變換的諧波檢測

基本思想：通過對采樣的電流信號進行FFT分析，可以得到電流中各次諧波分量，然后通過帶通濾波器去掉要抵消的那些諧波分量，此方法要求信號具有周期性，而且實時性不強。

在此方法上提出了很多改進的方法：加窗函數(shù)；修正理想采樣頻率法；雙峰譜線修正算法。對于非整數(shù)次的諧波存在頻譜泄露和柵欄現(xiàn)象，而通過構建窗函數(shù)就可以大大減小頻譜泄露，插值算法則可以消除柵欄現(xiàn)象。

基于瞬時無功功率檢測的方法

基本思想：對輸入信號進行變換把其中的基波分量轉化為直流量，而其它的高頻分量仍然為交流量，然后通過低通濾波器提取出包含基波分量的直流量，再進行反變換來得到基波分量。三相三線制電路都是運用的該方法。

瞬時無功功率理論解決了諧波和無功功率的瞬時檢測及補償?shù)葐栴}，此理論有三種諧波檢測的基本方法：p、q法、ip、iq法及d、q法。三種方法都能實時和準確地測量對稱的三相三線制電路的總諧波值，都是通過測量諧波，對諧波進行分析后，設計相關的有源電力濾波器對諧波進行補償?shù)幕痉椒?。其中ip、iq法適用范圍相對較廣，在電網(wǎng)電壓畸變和電網(wǎng)電壓不對稱兩種情況下都可以使用。而使用p、q法則有一定的局限性，此方法測量電網(wǎng)電壓畸變時會存在較大的誤差。d、q法法無法將有功分量和無功分量分開，所以實驗的過程使用ip、iq法。

3 兩種典型諧波檢測方法的仿真比較

基于傅里葉變換的諧波檢測

由于連續(xù)傅里葉變換不適合用于計算機上運算，離散的時域和頻域才符合要求，所以在運動此方法時，要將信號進行離散化。參考文獻所講的方法，建立了仿真模型，電流信號采用 1次、5次、11次和13次諧波相加為信號源，用離散傅里葉變換得到5次諧波的幅值和相位，然后通過相關算法得到5次諧波，如果需要得到其他諧波，可以在離散傅里葉變換模塊中改變相關參數(shù)即可。實驗結果如圖1所示。

圖1 離散傅里葉變換實驗結果圖

結果圖中上中下分別代表的是基波和諧波總量、傅里葉變換后的5次諧波分量、采樣后的5次諧波分量，從實驗結果不難看出，傅里葉變換的得到的諧波分量存在一定的延時，實時性較差。

基于瞬時無功的諧波檢測

瞬時無功功率理論以瞬時有功功率和瞬時無功功率為定義基礎，將三相轉換為兩相，經(jīng)過相關運算后可以得到三相電流的有功和無功分量，最后再轉換成三相即可。實驗還是以1次、5次、11次和13次之和為信號源，最后得到的是5次諧波分量，實驗結果如圖2。

圖2 基于瞬時無功功率的實驗結果

從實驗結果可以看出，瞬時無功功率檢測也存在一定的延時。但是相比較傅里葉而言，實時性較強。

4 兩個實驗結果的比較分析

兩個實驗都是最后檢測的5次諧波分量，從最后得到的5次諧波波形可以看出：傅里葉變換方法在一個采樣周期內延時大于0.02s，并且檢測到得諧波震蕩而瞬時無功功率理論的檢測方法延時只有0.01s，實時性明顯比前者好。

5 結束語

基于傅里葉變換的諧波電流檢測方法可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，即可以測出任意次諧波的值，但是具有較長的時間延遲，實時性較差，并且僅適用于穩(wěn)定的信號，瞬時無功功率檢測的方法實時性較好，延時也小，且適應于電網(wǎng)不對稱和電壓畸形的情況。諧波檢測的方法還有很多，比如小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡等，在不斷的實踐過程中找出各自適合某種特定場合的方法，不斷推動儀器儀表的發(fā)展，更好的提高電能質量。

綜上所述，傅里葉變換是目前諧波測量儀器中廣泛應用的基本理論依據(jù)；目前也有很多諧波檢測的新方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡理論和小波分析等，這些使用仍在研究中，對于改善電能質量有非常重要的意義。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.066