谐波管理范文（精选12篇）
谐波管理 第1篇
近年来, 经济的高速发展促使工业化和自动化程度迅速提高, 供电系统非线性设备和负荷的大量使用, 使谐波的产生有了巨大的温床, 谐波对电网的干扰愈加严重, 导致电网供电质量下降。谐波污染已成为电力系统的三大公害之一。供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注, 为保证供电系统中所有的设备能正常工作, 必须加强对谐波的管理并采取有力的措施, 抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。
1 谐波的产生和电力线路中谐波的类型
所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整数倍, 有数字频谱的特征。不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。谐波主要产生于两类元件 (1) 含半导体的非线性电气元件; (2) 含电弧和铁磁非线性设备。由于这两类元件广泛存在于电力线路中, 所以谐波来源于三个渠道:一是发电源产生的谐波;二是输配电系统产生的谐波;三是用电设备产生的谐波。可见谐波存在于电力生产、传输、转换和使用的各个环节, 具有普遍存在的特征。
2 谐波对电力线路的危害
谐波对电力线路的危害可以说无处不在, 具体有以下几个方面:
2.1 对输电线路的危害由于输电线路阻抗的频率特性, 线路电阻随频率的升高而增加。
在集肤效应的作用下, 使导体对谐波电流的有效电阻增加, 从而增加了设备的功率损耗、电能损耗, 使导体发热, 破坏绝缘, 严重时造成短路, 甚至引起火灾。另外, 由于输电线路存在着分布的线路电感和对地电容及无功电容等电感和电容的存在, 它们与系统母线侧及系统串联或并联, 组成串联回路或并联回路时, 可能会发生串联谐振或并联谐振, 导致在线路中产生很高的谐振电压, 严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿, 造成恶性事故。
2.2 影响线路的稳定运行为保证线路与设备的安全, 保证线路
的稳定运行, 电力线路中使用了大量继电保护和自动装置及低压开关设备。但由于谐波的影响, 这些按基波量设定的高灵敏度继电保护和自动装置如变电站主变的复合电压启动过电流保护装置, 母线差动保护元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动或使晶体管继电器产生误动或拒动, 严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。对各种断路器也有同样的影响, 谐波电流使断路器的铁耗和铜耗增大而发热, 造成脱扣困难或额定电流降低或脱扣电流降低等不正常现象, 出现误动作或不动作。
此外谐波还影响电网的质量。谐波不但使电网的电压与电流波形发生畸变, 而且同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率, 从而降低电网电压, 浪费电网的容量。
2.3 对电力设备的危害电力设备主要包括电力电容器和电力变压器, 谐波对它们的危害也很大。
当含谐波的电压加在电容器两端时, 因为谐波频率高, 电容器对谐波阻抗很小, 使电容器电流变大, 导致电容器温度升高, 损耗系数增大、附加损耗增加, 容易发生故障, 影响电容器的使用寿命, 严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振, 使电网的谐波加剧, 产生谐波扩大现象, 危害更大。同时, 由于谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度, 谐波电流的存在还增加了铜损, 也会对大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量, 因此会减少变压器的实际使用容量。除此之外, 谐波还导致变压器噪声增大, 有时还发出金属声。
2.4 对用电设备的影响在供电系统中, 用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。
因此, 谐波对电力用户电动机的影响最为明
显。谐波能使电机产生附加的损耗和转矩, 并能减少电动机的绝缘寿命。谐波产生的脉冲转矩, 会导致出现电机转轴扭曲和机械振动的问题, 发出很大的噪声。此外, 谐波还对计算机网络、通信等弱电设备产生干扰;还影响电力测量的准确性和计量仪表的精确性, 甚至导致计量设备无法工作;谐波对人体也有不良的影响。
3 供电系统谐波的管理
由于谐波存在的广泛性和频谱的多样性, 使得谐波的管理有极大的困难, 可以说在供电系统中完全消除谐波是不可能的, 但我们可以对一些危害比较大的谐波进行有效的处理。为减少供电系统的谐波问题, 可以采取以下措施:
3.1 通过技术措施, 减少谐波的危害减少谐波目前采用的方法是:
(1) 运用由L、R、C元件构成谐振回路, 可阻止与谐振回路的谐振频率相同或相近频率的谐波进入电网, 如在电力电子设备的交流侧安装无源滤波器; (2) 利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流趋向零, 达到较实时补偿谐波电流的目的; (3) 在谐波源处并联加装静止无功补偿装置, 可以有效减少波动的谐波量、改善功率因数、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等, 提高供电系统承受谐波的能力; (4) 将电容器组的某些支路改为滤波器或采取串联电抗器, 也可以采取限定电容器组的投入容量, 避免电容器对谐波的放大。此外还有一些特定的方法, 如增加换流装置的相数, 脉宽调制法, 三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线等。
3.2 加强管理, 减少谐波的危害谐波是附着于基波的, 以电流的形式在电网中传输, 使整个电网受其影响。
因此我们可以采取一定的措施使谐波在一定的范围内流动而不影响电网的其他部分。各部门各负其责, 尽量不把本部门管辖范围内的谐波传送到其他线路, 如发电部门提高发电机制造的工艺水平, 提高三相绕组绝对对称性, 铁心的均匀一致性, 从源头上减少谐波的产生, 同时对输送出的电流实行检测, 不把电厂的谐波送到供电部门;对于供电部门来说, 谐波的产生不可避免, 既有来自上游发电部门的谐波, 又有来自下游用电部门的谐波, 还有自身产生的谐波, 但是通过一定的技术手段, 加强监测, 实时控制, 并通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施, 可以提高电网抗谐波的能力。
3.3 加强对用户端谐波的管理
3.3.1 加大对谐波的危害性和治理方面的宣传, 使用户深刻认
识谐波治理的重要性, 谐波治理是是保证电网和设备安全稳定运行的举措。同时要制定一些制度, 明确各个部门在谐波管理中的职责、相应的操作规程、规范对谐波的管理;
3.3.2 用电用户产生的谐波对电网影响也最大, 因此必须加强对用户的管理, 按照GB 17625.
1—2003《电磁兼容限值谐波电流发射限值 (设备每相输入电流≤16A) 》, 要求购置的用电设备, 经过试验证实, 符合该标准限值才允许接入到配电系统中;GB/T14549《电能质量公用电网谐波》规定的注入公共连接点的谐波电流允许值的用户, 必须安装电力谐波滤波器, 以限制注入公用电网的谐波, 限制消除谐波对电力设备及装置的有害影响;
3.3.3 加大用电检查力度, 对于已运行的电能质量污染源用户
进行补立档案, 本着“谁干扰, 谁污染, 谁治理”的原则, 进行谐波源当地治理, 即对于产生大量谐波的用户, 在用户变的低压侧加装滤波装置, 将谐波限制在标准允许的范围内。同时安装电能质量在线监测仪, 并定期进行监测, 保证电网电能质量和电网安全运行。
4 结束语
谐波问题是复杂的, 要解决供电系统中的谐波问题, 必须要多方面共同努力, 通过制定相关政策、健全相关制度和技术创新, 一定可以把谐波控制在较微小的范围内, 从而保证电网和电力设备的安全运行, 杜绝因谐波造成的电力安全事故。
摘要：谐波在供电系统中的广泛存在, 对电网和电力设备产生了严重的危害。伴随着工业化和自动化程度的迅速提高, 非线性设备和负荷大量使用, 使谐波将越来越多地产生。作为供电部门, 须进一步认识谐波问题的严重性, 并以积极的态度从技术和制度两个层面减少谐波对供电系统的危害, 降低损失, 以保证电网和电力设备的安全运行。
谐波管理 第2篇
无源电力滤波器的设计与调试
华北电力大学电气工程学院
一、无源LC滤波器根本原理和结构
LC滤波器仍是应用最多、最广的滤波器。
1、常用的两种滤波器：调谐滤波器和高通滤波器。
2、滤波器设计要求
1〕使注入系统的谐波减小到国标允许的水平；
2〕进行基波无功补偿，供应负荷所需的无功功率。
3、单调谐滤波器
由图主电路可求：
调谐频率：
调谐次数：
在谐振点：∣z∣＝R
特征阻抗：
品质因数：
q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30～60。
4、高通滤波器
用于吸收某一次数及其以上的各次谐波。如下图。
复数阻抗：
截止频率：
结构参数：，一般取m=0.5~2；
q=0.7
~
1.4
依据以上三式可设计高通滤波器的参数。
二、滤波器设计内容和计算公式
1、滤波器参数选择原那么
原那么：最小投资；母线
THDU
和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料：
1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；
2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；
3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；
4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；
5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求。
以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。
案例设计问题：没有系统最终规模的谐波资料……
2、滤波器结构及接线方式选择
由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。工程接线可灵活多样，但推荐采用电抗器接电容低压侧的星形接线，主要优点是：
1〕任一电容击穿短路电流小；
2〕设备承受的仅为相电压；
3〕便于分相调谐。
高通滤波器多采用二阶减幅型结构〔基波损耗小，频率特性好，结构简单〕。经济原因高通滤波器多用于高压。
1、滤波器参数选择原那么
原那么：最小投资；母线
THDU
和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料：
1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；
2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；
3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；
4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；
5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求
以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。
本案例1段母线滤波器接线〔图纸拷贝〕……。
3、滤波器设计参数的分析处理
参数设计必须应依据实测值或绝对可靠的谐波计算值，但根据具体情况可作一些近似处理：
1〕母线短路容量较小或换算得到的系统电抗〔包括变压器〕XS较大时，可忽略系统等值电阻RS；
2〕系统原有谐波水平应通过实测得到，在滤波器参数设计时，新老谐波电流源应一起考虑；
3〕L、C制造、测量存在误差，以及f、T变化可能造成滤波器失谐，误差分析是参数设计必须考虑的问题；
4〕参数设计涉及技术指标、平安指标和经济指标，往往需经多个方案比拟后才能确定。
4、滤波器方案与参数的分析计算
1〕确定滤波器方案
确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。
例如：三相全波整流型谐波源，可设5、7、11次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率选12次。无功补偿要求沉着量需求平衡角度，通过计算综合确定。
2〕滤波器根本参数的分析
电容器根本参数：额定电压UCN、额定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3
U2CN/
QCN〔这里QCN
是三相值〕。
为保证电容器平安运行，电压应限制在一定范围内。
3〕滤波器参数的初步计算〔按正常条件〕
设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到：
其中，q
为滤波器的最正确品质因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择的参数。但为保证电容器的平安运行还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下：
4〕滤波器参数的初步计算
串联电抗器参数
以上为单调谐滤波器参数的初步选择。
5〕滤波器参数的最后确定
滤波器最终参数需通过大量、屡次频率特性仿真计算结果确定；并根据要求指标进行校验。
为保证平安运行，还要选断路器、避雷器、保护等。
自动调谐滤波器〔改变电感
L〕能提高滤波效果。但由于技术经济的原因，目前应用不普遍。
5、滤波器参数指标的校验
1〕电压平衡
：校验支路滤波电容器的额定电压
2〕电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平，IEC为1.45倍。
3〕容量平衡：QCN=
QC1〔基波容量〕+ΣQ
h
(谐波容量)；
对滤波支路仅考虑I1
和Ih
通过时，近似有：
6、其它分析、计算工作
1〕滤波支路等值频偏〔总失谐度〕的计算
2〕滤波支路品质因数q值的计算
其中，δs为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。
3〕滤波器性能和二次保护等分析计算
滤波器设计的技术性很强，需有专门的程序。除参数计算外，要能对滤波器的谐波阻抗、综合阻抗、谐波放大、局部谐振〔串、并联〕等滤波性能进行分析。
三、案例滤波器设计方法介绍
1、案例简介
2、谐波数据合成中频炉属交－直－交供电，换流脉动数为6，特征谐波值为6K±1次谐波。非对称触发等原因，存在非特征谐波。
福建中试测试：线2、线4和中频炉馈线；各谐波电压畸变率全部超标，5、11、13及以上谐波电流超标。
非在电网最小方式、钢厂非满负荷下的测试，测试结果偏小；及今后8台炉投运超标肯定更大。
设计问题：没有单台电炉谐波测试数据，没有新供电方案下负荷同时运行测试数据，需根据经验及现有供电方案谐波测试数据进行分析获取设计数据。
按电炉变80％负荷率合成各母线谐波电流……。
3、基波无功容量计算
按母线电炉全部运行功率因数大于0.9，单炉运行功率因数应小于1，治理前平均功率因数取0.85条件，通过程序计算各段母线的三相基波补偿容量：
10KV
I段：Q=3.8MVAR
10KV
II段：Q=2.65MVAR
605频炉线：
Q=1.9MVAR4、考核标准计算和滤波器配置选择
根据各母线的短路容量，计算各段母线电炉运行过程中的谐波考核标准；以及比照合成的谐波电流水平，选择、配置各段母线的滤波器。
总电压畸变率国标规定的限值
各级电网谐波电压限值〔%〕
电压〔KV〕
THD
奇次
偶次
0.38
5..4.0
2.0
6.10.4
3.2
1.6
35.66
2.4
1.2
1.6
0.0
允许注入电网的各次谐波电流国标规定限值〔局部〕
短路容量不同时的换算公式：
根据短路容量换算案例的各母线谐波电流允许值。
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
0.260
020.0
013.0
020.0
008.5
015.0
006.4
006.8
005.1
009.3
〔I〕010.0
116.0
025.0
016.5
012.5
016.9
008.2
013.3
006.1
006.5
004.9
008.7
(II)010.0
116.0
019.1
010.1
009.5
010.8
006.2
009.0
004.7
005.0
003.7
006.5
(605)010.0
080.0
011.1
005.1
005.6
005.6
003.6
004.9
002.7
002.9
002.2
003.7
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
004.3
007.9
003.7
004.1
003.2
006.0
002.8
005.4
002.6
002.9
〔I〕010.0
116.0
004.1
007.5
003.6
003.9
003.1
005.8
002.7
005.2
002.5
002.8
(II)010.0
116.0
003.2
005.7
002.7
003.0
002.3
004.4
002.1
004.0
001.9
002.1
(605)010.0
080.0
001.8
003.3
001.6
001.8
001.4
002.6
001.2
002.3
001.1
001.2
标称电压〔KV〕
基准短路容量〔MVA〕
010.0
100.0
002.3
.004.5
.004.5
002.1
004.1
〔I〕010.0
116.0
002.2
004.3
004.3
002.0
003.9
(II)010.0
116.0
001.7
003.3
003.3
001.5
003.0
(605)010.0
080.0
001.0
001.9
001.9
000.9
001.8
与合成的案例谐波比拟：各母线谐波电流均超标，由于装置的非同时触发，存在非特征谐波超标的现象。因此只能对主要的频谱进行设置滤波器；由于电炉运行方式大幅度变化，特别是10KV
I段负荷变化较大，受基波无功补偿容量限制，参数设计存在难度及影响其滤波效果。
综合考虑：各母线配置5、7、11、13次滤波器。
5、滤波器参数设计〔以10KV
I段为例〕
由于中频炉谐波为连续频谱谐波，以及基波补偿电容器的限制，滤波器参数设计很难满足要求，经几十次分析、比拟，确定的案例最终单相参数如下：
H5
H7
H11
H13
合计
电容器〔μF〕
27.51592
20.77733
22.98421
三相电容器安装容量〔kvar〕
1830
1350
1860
1269
6309
三相基波输出容量〔kvar〕
900
666
1108
726
3400
电抗器〔毫亨〕
14.74522
9.96178
2.39522
2.61115
考虑的问题：滤波效果，电压、电流、容量是否能够平衡，是否存在谐波放大，无功是否过补等，通过对参数进行屡次仿真，调整、比拟和评估设计效果，……。
1段母线补偿电容器和滤波器同时运行仿真例如：
仅滤波器投入运行的仿真例如。……。
四、设备定货、施工和现场调试
1、拟合标准指标与产品定货
按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调节范围，提出温升、耐压、损耗等指标。
电容器要求+误差，电抗器±5%可调，电容器质量…。
注意滤波电容器，干式、油侵电容器等问题……。
2、工程施工需要注意的问题
LC滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程资料，安装、施工要求；由于滤波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查，保证连接正确，防止相序、设备接线错误
案例施工中的问题：连接、保护……
3、现场调试主要要求和方法
1〕要求：保证系统可靠运行，防止系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限制在有效范围内；保证滤波本身平安运行，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷，以及投、切时的过电压、过电流不损坏本体设备。
其中，多数与设计有关……。
2〕步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放大，决定滤波器是正调偏还是负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保护，避雷器对投切、断路器重燃过电压有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效果。
案例调试中发生的问题：……。
3〕方法：
幅频特性法：谐振时Z=R，滤波器电流最大；电阻上的电压最大，滤波器总电压最小；因此，通过观测两个电压与预估的电压比拟，可确定调谐回路的谐振。
缺点：误差大，有计算误差、试验误差和观测误差。
相频特性法：把电阻电压和滤波器总电压分别送示波器两个通道进行相角比拟，可确定滤波器是否谐振。可采用同轴或不同轴两种方法。同轴法看到的是点重合或相反，因此误差大；不同轴法通过椭圆变成直线确定谐振，因此观察比拟容易，准确，工作量小。
放电振荡法：过程如图
放电时测量R上电压，记录波形；
测量周波时间，可计算谐振频率。
缺点：每测一次都需充、放
电一次，过程复杂，也不够准确。
因此，三种方法中，相频特性法比拟实用，而且可用频率计实际测量谐振频率；改变信号发生器频率，还可以测量滤波器的阻抗频率特性。
实际工程一般采用-5%〔负偏〕调谐滤波器。
4、案例工程运行测试结果〔1段母线〕
投运前：
电压〔V〕
电流〔A〕
功率因数
电压总畸变率%
电流总畸变率%
9800
540
0.88
10.1
5.1
投运后：
电压〔V〕
电流〔A〕
功率因数
电压总畸变率%
电流总畸变率%
10200
560
0.99
1.5
4.2
投运后各次谐波电流的95%最大值
五、关于电弧炉谐波治理的简介
1、电弧炉负荷特点和治理要求
1〕三相负荷电流严重不对称，严重时负序可达正序的50%～60%，熔化期也占20%。需解决不平衡问题；
2〕含有2、3、4、5、7等次谐波，产生的谐波电流频谱广，含有偶次谐波，谐波治理要求高；
3〕电弧炉随机运行在开路--短路--过载状态，很大的功率冲击，引起PCC母线电压变动，存在电压闪变问题。
4〕电炉变压器和短网消耗大量无功，因此运行功率因数非常低，增大电网损耗、降低电压水平。
小容量电弧炉可用
LC
无源滤波器，但对设计的要求比拟高，一般采用C型电力滤波器。
2、常用SVC形式和TCR补偿原理
常用的SVC有晶闸管控制电抗器〔TCR〕、自饱和电抗器〔SR〕和晶闸管投切电容器〔TSC〕三种。
TCR原理、结构，以及相关工程、技术问题如下：
3、TCR补偿与LC滤波的原理区别
1〕电弧炉负荷三相不平衡、无功冲击是根本原因，要求进行动态、分相补偿，TCR是解决问题的必须手段。同时解决电弧炉负荷产生、存在的问题。
TCR为动态补偿装置，响应时间在20ms内。
2〕LC滤波器以治理谐波为主，兼顾补偿系统无功。目前一般应用场合，不具备动态补偿功能。
电力机车谐波治理可采用投切方式〔非动态〕。
3〕采用那种类型的装置，涉及到负荷性质、滤波〔
或补偿〕效果、可行性和工程投资等。
电网谐波分析 第3篇
【关键词】电能质量；谐波；谐波危害
【中图分类号】TM727【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0284-02
1、谐波
国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍”。
2、谐波的产生
目前，在现代工业中，电力系统的波形畸变主要来源于两大因素。第一，R，L，C元件的非线性。当正弦电压加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。当然，非正弦电压加在线性电路上时电流亦是非正弦波。第二，大量使用的电力电子装置会带来波形的畸变。配电网中整流器，变频调速装置，电弧炉，电气化铁路及各种电子设备不断增加，这些负荷的非线性，冲击性与不平衡性等用电特性对用电质量造成了严重的危害；随着非线性用电设备越来越多，所产生的告诉谐波电流大量注入电网，使电网电压正弦波形发生畸变，电能质量下降。谐波源一般有一下几类：
（1） 发电机等旋转设备
主要是旋转设备结构设计上的问题产生谐波，如锯齿波，包括铁心饱和造成的低次谐波。但由于这类设备产生的谐波量少以及技术水平在不断提高，已逐步有所改变。
（2） 变压器
变压器与饱和电抗器产生的高次谐波是铁心饱和造成的，一般产生的是三次与五次谐波电压畸变，数量最多的是三次谐波。
（3） 各种可控硅整流负荷以电动机为代表的单相整流装置，要产生大量的三次谐波。
（4） 钢铁工业用的电弧炉，化学工业用的电石炉等各种电炉负荷。（5） 电视机，除尘器，空调等低压负荷。
（6） 随着其操作而出现的瞬变现象。谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能，并将其中一部分工频能转换为各次谐波能量向系统回送的过程。高次谐波是电力系统的一种“污染”，目前，它日益成为电力系统运行中的严重问题。
3、谐波的危害
谐波对电力网络的污染日益严重，其产生的危害主要有：
（1）对发电机和电动机产生脉动转矩噪声，附加功率损耗和发热，此外由整流器供电的电机可引起明显的电压畸变。
（2）对无功补偿电容器引起谐振或谐波电流放大，从而导致电热器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆过负荷或过电压击穿。
（3）对供电网和导线产生的而言，会增加供电网的损耗。当发生谐振现象时，损耗更加严重。
（4）对断路器和熔断器而言，电流波形畸变明显影响断路器容量，当存在电流畸变时，开断更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流的切除时间，因而造成了快速重合闸后的再燃。熔断器是由于发热而熔断的，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。
（5）对变压器而言，谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了其带负载的能力。
（6）对电子设备而言，主要影响表现在三个方面：
第一，谐波畸变得结果产生多个过零问题，这种多个过零会破坏设备的运行，最明显的是数字时钟，任何应用过零原理同步元件都应考虑这种影响。半导体器件经常在电压过零时投入，以降低电磁干扰和涌流，多次过零会改变器件投入时间，破坏设备运行。
第二， 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的充电。该波畸变可提高或削平波峰的峰值，其结果是即使均方根的输入电压是正常的，电力电源将运行在高或低的输入电压下，严重时设备可能遭到破坏。
第三，电压陷波也会破坏电子设备的运行，电压陷波不过零但影响过零敏感的设备。
4、谐波的抑制
对谐波抑制的方法主要是在谐波源上采取措施，是从改进电力电子装置入手，最大限度地避免谐波的产生。这类方法可以防止谐波影响波及众多的供电设备。电网质量的提高可节省消除谐波影响的大量人力和物力。将高水平的技术和相对集中的财力用到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利，这样的方法有：
（1）增加整流相数法
由谐波产生的原理知，随着整流
相数的增加，网侧电流谐波成分减少，波形接近于正弦波。在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只有n次奇次谐波，但高次谐波的振幅只有基波振幅值的1/n，这说明谐波次数越高，其振幅值越小。
（2）脉宽调制法
采用PWM在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。
抑制和消除谐波的另一大类方法是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供品域谐波补偿和时域谐波补偿。
（3）波形叠加法
逆变器输出端的电压谐波严重地
影响了DA-AC变换器的应用。但如果用两台你便输出的电压在副边叠加，是两台逆变器的输出波形每周期内都保持60°间隙，然后第二台逆变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移36°，这样第一台逆变器的输出波形中的五次谐波和第二台波形中的五次谐波的相位差为180°，五次谐波在变压副边相互抵消，达到了同时消除三次和五次谐波的目的，逆变输出电压波形接近于正弦波。
（4）LC无源滤波法
LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利用LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流，使其不会进入电网，多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流，这种方法简单易行。
（5）电力有源滤波器补偿法
早在七十年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器（所写为APF）的概念。八十年以来，瞬时无功功率理论和谐波电流瞬时检测方法的提出，才使得APF技术迅速发展起来。随着开关频率较高的自关断器件的实用化和瞬时无功功率理论和控制手段的成熟，有源滤波已从补偿自身谐波向改善电网供电质量发展。
（6）静止无功补偿法
在网侧投入无功补偿装置（SVC）是用来补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因素。另外，无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可在某次频率产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。传统的固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置已经落后，近年来发展的趋势是采用GTO构成的换向变流器，通常称为静止无功发生器（SVG），它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。
5、国内外谐波分析研究存在的主要问题
虽然谐波问题在我国已提到日程上来，但通过对前面国内外这方面文献中算法的总结我们可以看出，要实时估测电网质量，在线地监测用户负载谐波的情况，现有的算法还存在如下问题：
（1）有的算法速度和准确度不能兼顾。因为准确度的提高一般是以牺牲速度为代价的；
（2）采用锁相环节跟踪，往往会给硬件的设计、调试带来困难；
（3）部分算法还只停留在计算机仿真阶段，这往往是由于算法过于复杂，实用性有待进一步改进。
（4）在线测量实时性差.有的算法涉及的公式复杂，运算量大，这样势必会影响计算速度，现场测量的实时性就很难保证。
参考文献
[1] 徐向民.一种电网谐波检测新方法[J].第十四届全国电源技术年会论文集，2005，（4）
[2] 雍静.供配电系统.北京.机械工业出版社，2003.06
谐波管理 第4篇
关键词：谐波,危害,滤波器
0 引言
随着非线性电力设备的广阔使用, 谐波问题在电力体系中愈来愈严重, 谐波不但把输配电与用户电力设备的正常应用影响了, 还导致了用户增加无功功率电费的支出, 并且也出现了对其它设备元件的危害。
1 谐波的产生
(1) 谐波产生的原因分析。因为电源自身电动势的偏移与非线性负载造成的是谐波产生的根本原因。当流经负载的电流时, 电压和所加的不呈线性关系, 电流就变化成非正弦, 这样谐波就产生了。基波式分量为I/T的频率, 整倍数的基波频率是谐波频率, 依据傅立叶解析道理分析, 全部重复的波形能够分解为内藏有基波频率以及一连串的基波倍数的谐波正弦波分量。谐波能够分开为偶次和奇次性, 奇次谐波的编号为第3、5、7次, 而为偶次谐波的是2、4, 6、8等, 如为50Hz时的基波, 为100HZ的2次谐波, 谐波150Hz则是3次。在三相系统平衡中, 谐波由于是对称性关系, 谐波已经没有了偶次, 谐波只有奇次。对于整流负载的三相, 6n±1次谐波是出现的谐波电流, 像5、7, 11、13、17、19等。 (2) 产生谐波源的主要设备。在日常生产活动中产生谐波的主要设备有:变速传动传动装置如变频器、晶闸管控制设备、固定式换流器如UPS、电弧炉、中频炉电影、电弧机、大型建筑物的照明设备、饱和电抗器等。
2 由谐波所引起的危害
(1) 危害电力电网的因素:进入电网的谐波电流后, 引发电网的电压变形, 让电能质量变差与挥霍电网的容量。 (2) 危害电力电容器的因素:在电容器基波电压上重叠的谐波电压, 不但把电容器运行电压的有效值增加了, 还也许大大的增加峰值电压, 造成电容器在运作中产生的部分放电不能熄灭, 而这一般是电容器损坏的一个非常主要的因素。当非正弦的是电容器的端电压时, 电容器介质中出现的附加有功损耗就是出现的额外发热, 电容器的运行温度让这些热量升高了。当畸变的电压波形时, 在介质中诱导出现部分放电的是尖顶电压波, 加上电压的有比较大的变化率, 部分放电就有很大的强度, 绝缘介质的老化速度就更加加剧了, 降低了电容器的运用时间也, 间接大大的缩短了电动机、变压器等电力设备的运用寿命, 供电的可靠性降低了, 很容易给生产经过导致严重后果。 (3) 危害电力变压器的原因:在供电变压器三相四线中, 谐波代数叠加的是三次整数倍的, 变压器感应到一次侧, 造成线圈太热, 同时让中线电流太大, 发热, 甚至烧坏。在电机运行经过中, 让交流电压波形严重失真的是谐波, 电机烧坏。变压器的铁耗还让谐波还加大了, 铁心中的磁滞损耗增加是这主要的体现, 谐波让电压的波形变得非常的差, 磁滞损耗就更大。 (4) 危害弱电体系设备的因素:经过磁场耦合的是电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流, 不但在相邻电力线的通信线路中会出现干扰电压, 干扰通信体系的工作, 通信线路通话的清楚度被影响了, 并且在谐波与基波的一起功能下, 电话铃响会触发, 甚至在一些严重的状况下, 还会威胁通信设备和人员的安全。
3 怎样抑制谐波
3.1 谐波的波源减少
(1) 经过把整流器脉动数增加, 因为在电路中整流器广泛使用, 它也是谐波关键来源之一, n=Kp±1是它的特点频谱, 所以便能知正比关系的是p与n, 一个加大另外的一个也会跟着加大。而In≈I1/n, 因此会减少谐波电流, 也就把谐波减少了。 (2) 使用脉宽调制办法。运用PWM, 在频率所设定的周期内, 把电流电压调成等幅但不等宽的一连串交流输出电压脉冲这样来达到抑制谐波。 (3) 连线方式在三相整流变压器处使用Y-d (Y/△) 或运用D、Y (△/Y) 。能够有效清除三的倍数次谐波, 这也是最常运用抑制谐波的方法。想要加大体系里的短路容量就要运用上面的办法, 有效的把供电电压等级提升, 并变流装置增加脉动数, 同时三相负荷平衡尽量保持, 避免每一类电磁体系饱和, 避让体系谐振点。
3.2 经过在谐波源处吸收谐波
在谐波源处吸收谐波电流运用电力滤波设备, 是能够有效抑制谐波。这装置又分为有源滤波器与无源滤波器2种。关键安装在设备交流侧的是无源滤波器, 像LC回路频率和电路中谐波电流频率一样时, 就可以防止流入电网。所以, 有效抑制谐波与完善波形主动办法的是设置交流滤波器, 同时滤波器还可以向体系提供所需的局部或所有无功。
整流器、逆变器等非线性负荷, 由于其自身能够表示为出现高次谐波电流的恒流源, 故能用图1来表示高次谐波的等效电路。
流向电网的谐波电流IS与母线的谐波电压VB能表示为:
式中:注入电网的谐波电流的是IS;
谐波电流为In;
谐波电压为VB;
电网阻抗为ZS;
电网负载阻抗为ZL。
这式说明, 当电网阻抗 (ZS) 必然时, 体系负载阻抗 (ZL) 相对减小, 就能够把流向电网的谐波电流与母线的谐波电压 (电压畸变) 减小。
4 结语
中国深入开展的电能质量治理工作, 谐波污染要消除, 使用有力的抑制谐波的办法, 把谐波侵入电网减小, 从而真正把因为谐波污染带来的巨大经济损失减少。有效解决谐波问题, 意味着国内电力建设有了全新跨越性进步, 是中国将来科技进步和电力发展的优秀开端。
参考文献
[1]郎文川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术, 2002 (06) .
制药厂谐波分析 第5篇
一、制药行业谐波情况
制药厂是指生产抗生素、化学合成药、生物化学药、植物化学药等原料药和各种药物制 剂或中药的工厂。
这类工厂1982年在中国总数为1833个，其中化学原料药厂83、制剂厂407、原料药兼制剂的药厂354、生物化学制药厂133、综合利用兼产药品的工厂358、中药厂478、其他类型厂20个。世界闻名的许多药厂，如赫司特制药公司、拜耳药厂、罗氏药厂，实际上都是大型跨国化工公司的一部分，并由许多大、中、小型工厂或子公司组成。
随着制药行业的迅猛发展，许多制药行业所需要的新型先进设备也应运而生，制药企业存在大量的泵及电机类负载，并且很多都配有变频器。变频器的大量应用使得配电系统中的谐波含量大大增加。其中发酵就是存在变频器的行业之一，它是生产原料药的一个重要环节，所以都离不开发酵罐这一核心，随着产品产量的不断扩大、新工艺的不断更新和新品种的不断增加，对发酵罐的控制方式、搅拌频率和时段调整等提出了不同的要求。针对重型大负载比较多、耗电量比较大、发酵周期比较长的情况，近几年发酵生产企业也采取了多种方法，进行了不少设备改造，变频调速是最好的即能满足生产工艺要求，又能节能降耗的方式。变频器在发酵罐上的应用日益普及，为发酵行业的工业自动化控制提供了良好的生产及工艺效益。但随着自动化程度的不断提高，自动化设备对电源污染的程度也越来越深，相应的对自动控制系统的干扰也越来越强，对电源滤波、净化，取得相对稳定的绿色电源的要求也越来越高。众所周知，变频器是由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其中整流电路和逆变电路中均使用了半导体开关元件，在控制上则采用的是PWM控制方式，这就决定了变频器的输入、输出电压和电流除了基波之外，还含有许多的高次谐波成分。除能构成电源无功损耗的较低次谐波外，还有许多频率很高的谐波成分。它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对变频器本身和其它设备的干扰信号。这些高次谐波成分将会引起电网电压波形的畸变，产生无线电干扰电波，它们对周边的设备、包括变频器的驱动对象一电动机带来不良的影响。同时由于变频器的使用，电网电源电压中会产生高次谐波的成分，会引导电源波形产生畸形。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。目前，绝大部分变频器的整流环节都是应用6脉冲整流将交流电转化为直流电，因此所产生的谐波以5次、7次、11次为主。同时，制药企业通常拥有实验室和自动化生产线，存在着大量的精密设备，在许多情况下这些设备既是谐波的产生者，也是谐波的受害者。谐波会影响到实验室中设备的正常工作，使得正在进行的实验功亏一篑；谐波也会影响到自动化生产线的智能控制器、PLC系统，使自动控制设备出现故障。在许多国家级实验室、制药企业的自动生产线都出现过谢波的影响而造成设备的故障。因此制药企业的谐波问题影响较为深远，危害性严重，急需治理。
二、谐波带来的危害
谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
1、加大企业的电力运行成本。
大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。
2、降低了供电的可靠性
谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。
3、导致供电事故的发生
电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行。
4、导致设备无法正常工作
对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。
5、引发恶性事故
继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。
6、导致线路短路
电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。
7、降低产品质量
由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动,使生产误差加大，降低产品的加工精度，降低产品质量。
8、影响通讯系统的正常工作
当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，从而影响通话的清晰度和通信质量。
三、治理谐波的收益
1、提高企业的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；
2、降低用电设备发热量，减少绝缘老化，从而降低设备维护所需费用；
3、减少电网中补偿电容的谐振几率，提高用电安全。同时减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；
4、电机等设备发热减少，计算机系统数据出错率降低；
5、有效避免中线发热老化，甚至是火灾的风险；
6、减少谐波产生的电磁干扰，保障弱电系统正常工作。
四、谐波的治理
在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施: 4.1采取脉宽调制(PWM)法采用脉宽调制(PWM)技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。
4.2降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有: 4.2.1增加整流器的脉动数
高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或24相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。
4.2.2脉宽调制法
采用PWM,在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。
4.3在谐波源处吸收谐波电流
这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种: 4.3.1防止并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。
4.3.2无源滤波器
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
4.3.3有源滤波器
电能计量的谐波问题分析 第6篇
【关键词】电力企业；电能计量；谐波
【中图分类号】TM9 33.4 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0027-01
一、电力计量产生谐波的原因与测量方法
1、发生谐波污染原因
电力系统中发生谐波潮流主要是因为如下原因：
首先，发电的电源质量不高导致发生谐波：发电机因为三相绕组的生产和制作上非常难以保证其结构绝对对称，三相绕线的铁心没有办法保证绝对均匀及其他一些发电机自身的原因，使得发电源在发电时产生少量谐波。
其次，传输和配电系统会发生谐波污染，传输和配置电力的系统中多半是因为电力变压器而发生谐波。因为变压器铁心已经饱和，磁化曲线呈现非线性变化，再加上变压器在设计阶段因过分考虑其成本，变压器的工作磁密在采用接近于磁化曲线的饱和段，使得磁化电流的变化以尖顶波形变化，其中含有奇次谐波。变压器铁心越饱和，变压器的工作点非线性越远，谐波污染就越严重。
最后则是用电设备发生谐波污染，而且多是晶闸管整流设备。因为晶闸管整流应用在电力系统机车、铝电系统解槽、充电系统装置等多方面得到了越来越普遍，所以带给供电网络产生大量谐波。若品闸管整流系统是单相整流电路的，在联结感性负载的时候，一定会包含奇次谐波电流，其中3次谐波达基波的三成；联结容性负载的时候，包含奇次谐波电压，它的谐波含量与电容值的正向增长。实践证明明，经由整流装置发生的谐波占全部谐波的四成，成为最大的谐波污染源。
2、谐波测量方法
测量谐波是用以解决谐波问题的前提，测量谐波是研究、分析谐波产生问题的重要参考。经由测量谐波，能够实时监测供电网络中的谐波含量及走向，以此为基础谐波流向，计量不同的方向的谐波电量、不同谐波含有率、电压幅值、电流幅值及相位等参数，为电力企业制定对应的谐波治理措施提供实用的依据。
一般来说，谐波的特征为非线性、不平稳性、随机和分布复杂等，所以测量谐波要想做到准确相对会困难些。现在电力谐波的测量一般方法有：选取模拟带通滤波器测量或者是带阻滤波器来测量谐波；以傅立叶变换为基础测量揩波；以瞬时无功功率为基础测量谐波；以神经网络为基础测量谐波；选取小波方法测量谐波。以上方法各有特色，但基于傅立葉变换的、测量谐波，是目前分析谐波测量应用最普遍的一种测量方法。
二、电能计量的谐波影响
1、电磁式电能表的谐波影响
旧式的电磁电能表是根据工频正弦波制造来完成的，这类电能表只可以确保在小幅度变化的工频范围频带内才能发挥最佳工作性能，如果电力系统波形畸变，这类电能表会发生计量错误，产生误差。随着电网谐波不断变多，电能质量的要求会淘汰电磁式电能表。
分析电磁式电能表的计量原理，得出电磁式电能表处于谐波条件下计量电能通常无法正确说明用户实际的使用电量：
（1）用户是线性用户，谐波与基波的方向达到一样，电能表计量的是基波和部分谐波所和的电能，计量比实际量偏大。线性用户既要受到谐波污染还要为此多交电费。
（2）用户为谐波源用户，用户自身消耗谐波外，还输送电网谐波量，输送的谐波潮流和基波相反，电能表计量的是基波电能减去谐波电能，计量值比实际值偏小。用户发生谐波污染电网，反而少交电费。
2、电子电能表谐波影响
电子电能表在城市电网应用得较普遍，我国电子电能表多是选取模拟式分割乘法器完成计量电功率和计量电能。随着谐波危害断增加，电子电能表计量电能也会产生误差。
3、数字电能表谐波影响
数字电能表是电子电能表的发展换代，它以数字乘法器，采用转换器把电压与电流数字相乘，测量准确度高。数字式电能表一般在一定周期内采样处理电压信号和电流信号，系统频率波动时，采样周期与实际信号无法实现同步，就会产生频谱泄漏，电能计量发生误差。
三、合理选择电能计量方式
现在，一般电力企业计量电能是在小区内都选用集中抄表方式；大工业用户及普通工业用户选取多功能的电子电能表；一般居民用户及非工商业的大电量用户选取感应式电能表。
国家发改委明确规定，电能计量针对不同的用户实行不同的电价，选用电能表只是说明基波功率而完全不计较谐波功率的计量方式。这样情况下，对于电力企业及线性用户而言，虽是受到谐波污染的一些影响，但却付费上避免因谐波功率的额外损失；针对非线性用户而言，则是虽全部支付了基波电能费用，但无法补偿电力系统的谐波污染产生的损失，所以不同用户不同电价相对科学、合理。
参考文献
[1]李科.谐波对电能计量影响研究[J].现代商贸工业.2010（03）
谐波管理 第7篇
对各种照明设备采取必要的谐波治理措施, 不仅有利于供电系统电能质量的改善, 同时也有利于广大电力用户权益的维护[4]。该文通过分析现有的照明设备的谐波情况, 以含有大量非线性照明设备的某配电站为例, 建立仿真模型, 对现有谐波情况进行谐波治理, 以期指导具有类似谐波问题的治理。
1 主要照明设备的谐波分析
大型灯会、商业广场、办公大楼、工矿企业、道路交通及医院等都要使用大量的荧光灯具和LED灯等照明设备, 其镇流器部分为非线性负载, 将产生谐波电流, 其中3次谐波最多。当多个荧光灯接成三相四线负载时, 在系统中性线上将产生很大的3次谐波电流。而且LED灯需要低压直流电驱动, 为了从交流电源得到低压直流电必须采用开关电源, 在开关电源运行时也会产生谐波污染电网[5,6]。下面给出了几种主要照明设备的谐波含量分析, 如表1所示。
从表1中可知, 作为非线性负荷, 各种照明设备均有较高含量的谐波, 有些照明设备的各次谐波含量都比较高, 有些则是3次谐波含量偏高而其他次谐波含量较低。由于照明设备与人们日常生活密切相关, 占民用用电负荷的很大一部分, 所以必须采取一定的谐波治理措施。
2 实例分析
该文以四川省某灯会供电系统为例, 灯会的某条线路的配电变压器380 V侧线路谐波电压、谐波电流实测值如表2所示, 谐波电压主要是3次, 谐波电流主要是3、5、7次, 谐波测试结果表明谐波电压和谐波电流均超标。
3 谐波治理
3.1 滤波器控制系统结构图
通过对上述某灯会谐波情况的具体分析结果表明, 该配电站谐波电压和谐波电流均超过国家标准, 谐波电压主要是因为谐波电流引起的, 所以下面对该配电站的谐波电流进行谐波治理。
目前针对谐波的治理主要采用有无源滤波器和有源滤波器两种;无源滤波器具有结构简单, 造价低, 运行费用也低, 但只能滤除固定次谐波[7,8,9], 在负荷波动比较大的时候容易导致无功过补偿, 所以对于灯会这种具有很大波动的负荷, 不建议采用此方法;有源滤波器可以根据负载的谐波电流大小实时调整谐波补偿电流[8,9,10,11], 所以下面主要介绍有源滤波器在灯会中的应用, 图1为有源滤波器的控制系统结构图[12]。
图1为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中es为交流电源, 负载为谐波源, 它产生谐波。有源滤波器系统由两大部分组成, 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路 (由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路3个部分构成) [13]。
图1中有源滤波器的基本工作原理是, 检测补偿对象的电压和电流, 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号, 该信号经补偿电流发生电路放大, 得出补偿电流, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消, 最终得到期望的电源电流[14]。
3.2 有源滤波器部分参数确定
(1) 主电路电感[15]。
设交流侧电感上电流的变化率为λ, λ反应了补偿电流跟踪性能的好坏。以A相为例, 由有源滤波器的数学模型可得:
式中:L为电压型逆变器交流侧输出电感;es为A相电压电压;KA为电压型逆变器A相开关系数;UC为电压型逆变器直流侧电容电压。假设滤波器的工作时间足够长, 式 (1) 中交流电压eS的作用将为0, 由电压型逆变器主电路工作模式与开关系数的关系可知:KA取2/3的概率为1/3, KA取1/3的概率为2/3, 因此KA的平均值为4/9, 由此可知λ的平均值为:
(2) 直流侧电容电压。
由于补偿电流是通过高频开关产生的, 因此含有大量的开关纹波, 电感电流开关纹波有效值的平均值越小, 则开关纹波对补偿电流的影响越小。同时, 需要考虑逆变器占空比调节范围, 所以有源滤波器直流侧电容电压:
式 (3) 中Usmax为电源电压最大值。
(3) 直流侧电容量。
如果APF的容量为P, 同时为了保证电容波动在一定范围内, 需要满足:
即:
若电容电压稳态值为UC, 其电压波动范围为α, 则:
将式 (6) 和式 (7) 带人式 (5) 得:
储能电容的取值范围有式 (9) 确定。
3.3 系统仿真模型建立
在Matlab/Simulink中搭建有源滤波器在灯会系统中滤波仿真模型, 如图2所示。仿真模型由系统电压模块、有源滤波器模块、谐波注入模块。有源滤波器并联在系统的交流侧。其中三相电源相电压值为220 V, 三相电源频率为50 Hz, 有源滤波器输出电感为2 m H, 直流侧电压为800 V, 直流侧电容值为2 000μF。
根据给灯会供电配电站的电流谐波具体情况搭建仿真模型, 为了防止用户侧的谐波进入配电网系统, 所以谐波的治理主要是在用户侧进行, 因此系统的谐波电流在仿真模型的用户侧注入。
通过仿真可以得到有源滤波器投入前配电网侧A相电流波形如图3所示, A相电流频谱图如图4所示。
根据图3和图4可以知道, 在有源滤波器投入前配电网侧A相电流主要含有3、5、7次谐波, 电流畸变严重, 为34.13%, 仿真结果和实测结果很接近, 因此所建系统可以比较好的反应实际的配电网系统。
图5是有源滤波器投入运行后的配电网侧的A相电流波形图, 配电网侧的A相电流波形很有大改善, 从频谱图6分析可知谐波含量也大幅度的减少。
通过对有源滤波器投入前和投入后的谐波电流对比分析, 可以得出, 在有源滤波器投入前配电网侧谐波含量严重超标, 谐波电流高达34.13%;有源滤波器投入后配电站侧谐波电流得到了很大的改善, 谐波电流只有2.60%, 电流满足国家标准的要求, 有源滤波器达到了比较好的滤波效果。
根据实例分析可以知道谐波对配电网产生影响, 使得电网的安全性、可靠性、经济性有不同程度的降低。因此, 电网的谐波治理问题应该引起电力部门及用户的高度重视。
4 结语
谐波对继电保护的影响及谐波的计算 第8篇
1.1 次谐波的产生和危害
1.1.1 谐波定义和生成
谐波是一个周期电量的正弦波分量, 其频率通常是基波部分的频率整数倍。这部分的谐波功率更大的范围基本频率组件的非正弦电源周期的傅里叶分解。谐波频率是一个整数倍数的基本的频率, 我们也常常称为谐波。
1.1.2 谐波的危害
谐波污染对电力系统安全、稳定和经济运行构成潜在的威胁, 对周围的电子环境影响大。具体的危害如下所示:
电源供应的影响。对电容器谐波的影响。统计数据显示, 约70%在电容器的谐波故障出现。研究显示有矿物油浸渍绝缘电容器电压畸变的两年增加一倍的介质损耗因数的5%的条件下运行。在谐波函数中, 电源线损坏, 但也大大改善。高次谐波产生旋转磁场产生的涡流旋转电机铁损耗增加, 同步电机过热阻尼线圈或感应电动机定子、转子生成额外的铜损。此外, 引起振动转矩的谐波电流, 电机转速变化定期。失真造成的电压、电机和变压器绝缘寿命会缩短。
继电保护和自动装置的影响。谐波的影响, 从而导致的主变压器和总线复杂压过流保护复合电压锁定的元素开始被误。也造成跳闸事故发电机负序电流保护故障。录像机故障的故障, 影响实际故障记录。由谐波电磁和静电诱导, 通信干扰。谐波干扰强度取决于距离的谐波电压、电流、频率和输电线路和通信线路和帧长度的大小。
电力计量和文书中的角色常用的说明。研究表明高次谐波和负频率误差感应式电能, 广泛使用的电路的谐波含量不能准确地衡量。当趋势的谐波和基本方向, 该文书将会较少的电源, 在发生的谐波电压线性用户, 测量时的谐波及基本趋势, 感应式电能表相反的方向不能被谐波和基代数和波能量网格谐波反措施-也部分抵消的根本动力。很明显, 合理的解决办法, 产生的电能计量, 影响下的谐波不仅经济意义, 并有助于谐波污染。
可见, 谐波严重影响电源系统是正常、稳定和安全的操作。
1.2 谐波对继电保护和自动装置的影响
1.2.1 高次谐波的各类保护的影响
1) 谐波电磁继电器
电磁式电压继电器, 与通过线圈的电流有效值平方成正比。线圈匝数的阻抗元件的阻抗是不同的频率, 增加的谐波行动的理由是为了提高线圈的阻抗。谐波电压接入继电器。电磁继电器慢, 设置误差值要求较低的谐波含量小于10%, 谐波的影响不会太大。然而, 当谐波含量和谐波衰减和慢时, 电磁继电器由一个大的网络事件造成的错误。
2) 谐波整流继电器
整流距离保护装置 (如LH-21) 的振荡闭锁经常移动, 这些现象的原因是负序滤波器的三相电流单电压 (比负序电流) , 序列过滤器通过连接构造之间的相电流互感器两相电抗变压器的连接。谐波电流和谐波是不相等的, 非对称和负序过滤器, 具有很大的谐波输出, 加上分相电路谐波进一步放大效应, 使整个直流脉冲, 使保护误动。
3) 谐波的微机保护谐波对计算机的保护作用: (1) 电脑的电源系统; (2) 模拟量输入电路微控制器。当微机模拟输入电路包含谐波影响正常工作的微机保护, 测量计算机控制系统也不例外, 在前面ADC的模拟低通滤波器抑制谐波和提高有用信号和干扰信号。
4) 谐波距离保护
从元素的保护装置, 通常设置在基本阻抗。故障条件下, 当电流谐波 (三次谐波) , 测得的阻抗相对的根本阻抗值可能有相当大的错误。所以当阻抗接地故障电流通过高电阻接地阻抗主。如果应采取的电流谐波滤波措施, 否则会造成继电器故障的可能性。通过实验, 谐波含量小于5%, 它具有继电器谐波的影响不大。
1.2.2 继电器的保护措施, 以遏止谐波失真
继电器性能的评价通常采用三项措施:灵敏度, 选择性和快速的行动。导致性能恶化的主要原因, 输入电流和电压波形畸变之一。
硬件保护装置 (模拟) 和软件 (数字滤波器) , 去除直流分量和谐波分量的电力系统数据, 以及各种保护动作精度。
模拟滤波器通常使用以下几种类型:1) 带通滤波器的谐振式电流互感器;2) 带通滤波器, 利用运算放大器, 由于其规模小, 精度高的优点, 已被广泛使用。
数字滤波器是由软件实现, 因此不会受到外部环境的影响 (如温度) , 高可靠性, 高标准。不像模拟滤芯差异的影响过滤效果, 有没有元件老化和负载阻抗匹配。此外, 数字滤波器, 具有高度的灵活性, 当需要改变滤波器的性能只能被编程。
2 通流计算的谐波分布
牛顿-拉夫逊法是为解决流动方程的方法, 最成功的, 不仅在大多数情况下, 更快的收敛与前两年的风险之间没有分歧, 可以大大减少计算时间。牛顿的过程实质上是求解非线性方程组到相应的线性方程组求解的过程中, 这通常被称为一个线性过程。
3 结论
谐波对继电保护的影响很大, 如何更好地减小谐波对继电保护的干扰, 继而维持电力系统的稳定、可靠运行是继电保护工作者的一项值得研究的课题。同时, 通过继电保护自动装置加强对谐波的监测从而减小谐波对电力系统的污染也是江苏省电力公司的一项迫切任务。
摘要：电网谐波使电网电力供应合格率有所下降, 这引起的电力供应人员广泛地关注。随着工业的快速发展, 在电力系统非线性负载显著增加, 其谐波对电力能源污染问题十分关注。为了改善电能质量, 电力企业需要采取有效措施, 电网中的谐波限定值和各种治理措施。
关键词：谐波,继电保护,影响
参考文献
[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].中国电力出版社, 1998.
基于谐波小波的电力系统谐波分析 第9篇
由于电力系统中大量非线性设备的存在,导致它们在工作时不仅会产生基波频率的整数次谐波,还可能产生基波频率的非整次谐波,即间谐波,这会对电能造成严重的污染,增加能量损失,威胁电力设备的安全运行[1,2,3,4]。因此,谐波和间谐波的分析对于电力系统的监控与保护都具有十分重要的意义。
传统的正交小波包变换在电力系统谐波分析与检测中有着广泛的应用。但是由于小波包变换固有的性质,如小波包变换的混叠现象比小波变换的混叠现象更为直观形象,其影响也比小波变换严重,这主要是由于分解滤波器之间存在频带混叠现象,小波频谱的起始频率和截止频率之间存在过渡带[5]。谐波小波变换是一种基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)及其逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)的快速算法,在数值上容易实现,其算法快,精度高,具有很好的工程实用价值[6,7,8]。通常的小波算法(如Mallat算法,Daubechies小波)在分解信号时要隔二取一,从而使得在小波分解时各层的数据点数和采样频率随尺度的增加逐渐减小。谐波小波相对于传统的小波函数而言,具有更普遍意义上的正交性以及优异的视频分解能力,其明显优势就是信号任意频段的“细化”能力,虽然它在时域中的局部化能力一般,但在频域分析中对精度有特殊要求的场合,这种优势就非常符合需求[9,10]。
1 谐波小波分析
1.1 经典谐波小波
设时域函数he(t)和ho(t)的傅里叶变换所对应的频域函数为
式中:下标e和o分别表示该函数是变量ω的偶函数和奇函数。
将频域函数
将时域函数he(t)和ho(t)组成复合函数h(t),可得:
由此定义的复合函数h(t)称为谐波小波函数,亦称为经典谐波小波或二进谐波小波,其实部he(t)和虚部ho(t)的波形如图1所示。
由图1可以看出,谐波小波h(t)是由相差90°的实部偶小波和虚部奇小波构成。虚部奇小波所构成的滤波器都是零相移滤波器,具有锁定信号相位的功能。它在时域上的衰减速度较慢(与时间t成反比),导致其时域局部化特性较弱。
为了获得谐波小波h(t)的二进伸缩平移系,令:
式中:j为非负整数;k为整数。
把式(5)代入式(4),可得:
在式(6)中,小波的形状没有改变,只是在水平尺度上被压缩了2j,并且位置在新的尺度上被平移了k个单位,这与二进小波变换的形式是一致的。其j值决定谐波小波的尺度或层数。例如当j=0时,谐波小波的傅里叶变换位于[2π,4π]频带中;若在第j层时,则谐波小波的傅里叶变换位于[2j+1π,2j+2π]频带之间。即随着j值的增大,其频谱的带宽以二进方式逐渐加大。谐波小波对信号的分解从低频到高频是以2倍的关系逐渐增加的,它对信号的低频部分划分比较细,而对信号的高频部分划分比较粗,这说明经典谐波小波分解也属于二进小波分解的范畴。
1.2 谐波小波的改进
为了使分析频带的选取更为灵活,不受二进方式的限制,对经典谐波小波加以改进,拓宽谐波小波的概念及应用范围。引入正整数m=2j,n=2j+1(m<n),把m,n代入式(4),并通过伸缩平移生成的谐波小波族为:
其频域表达式为:
由式(7)可以看出,实际上m,n既可以取正整数,也可以取负整数,这样它们之间就不必满足n=2m这一条件的限制(二进限制),只要保证m<n即可,这就使得谐波小波在分析频带的选取上具有更大的灵活性。这就是改进的谐波小波相对于经典谐波小波的一个明显优势。
若给定谐波小波的位移步长为k/(n-m),k为整数,对式(7)进行平移变换可得:
其频域表达式为:
由此可见,式(10)是分析频率带宽为(n-m)2π,分析时间中心在t=k/(n-m)处的谐波小波一般表达式。文献[12]证明了谐波小波族Ψm,n(t)是一个正交的解析信号,它构成了空间L2(R)的一组正交基[13]。
1.3 谐波小波包
由式(9)可知,谐波小波的关键在于尺度参数m,n的选取。令信号的奈奎斯特频率为fs,则第j(j为非负整数)层各小波的分析频率带宽为:
这样可以设定分析频带的上、下限频率分别为:
随着分解层数j的逐渐增大,可以体现出谐波小波包对信号任意频段的“细化”能力。如果要对信号的某一频段进行重点分析,则先由式(11)确定信号的分解层数j,再由式(12)确定所要分析频带的上、下限频率,也就是定义谐波小波的尺度参数m,n。
由于谐波小波没有尺度函数,因此谐波小波包的思想与传统的小波包理论有所不同,不能采用正交滤波器组对信号进行频带分解[14]。由式(9)可知,谐波小波具有可调的尺度参数m,n,对在不同频带的信号进行分解时采用不同的m,n,这样就可以将谐波小波良好的滤波效果应用到谐波小波包的分析中。信号经过小波包分解后,在各个频带中的信号仍具有与原始信号相同的频率分辨率,而且分解后信号的数据长度并没有减少,这克服了Mallat算法的小波包分解带来数据长度减少的问题。由于小波滤波器不具有理想“盒形”的频谱特性,起始频率和截止频率之间存在过渡带,这导致在信号的分解过程中往往会发生频带间的能量冗余,造成误差,而谐波小波包滤波器则完全可以克服以上问题。具体方法是首先得到待分析信号的频谱,确定谱线的频点数值,然后根据预设的窗宽来确定尺度参数。
2 谐波小波变换及算法
2.1 谐波小波变换
根据小波变换的定义,对某一尺度的小波函数Ψm,n(t),信号x(t)∈L2(R)的小波变换可表示为[15]:
信号x(t)的谐波小波变换为:
对式(14)进行Fourier变换,可得:
式(14)和式(15)分别称作信号x(t)在m,n尺度下的时域和频域的谐波小波变换表达式。
对于离散信号序列x(r),r=0,1,2,…,N-1,其谐波小波变换为:
由式(13)～式(16)可以看出,信号的谐波小波变换非常简洁,容易实现。同时,由于谐波小波对信号各次谐波分量的相位有保持功能,所以对信号进行谐波小波分解后,也可以对信号进行重构,从而实现信号的滤波和降噪。
2.2 谐波小波算法
首先对谐波源信号x(t)进行FFT运算,对变换得到的结果
3 仿真实验与结果分析
为了更好地验证谐波小波算法在电力系统谐波与间谐波分析中的有效性,进行如下的仿真实验。
设电网中的谐波源信号为:
式中:基波频率为50 Hz,并且含有3,5,7,9次谐波和频率为75 Hz(基波频率的1.5倍)的间谐波共6个频率分量以及随机噪声e(t),具体的参数设置如表1所示。
设采样频率fs=1 250 Hz,采样点数N=1 024。利用谐波小波变换(Harmonic Wavelet Transform,HWT)对谐波源信号u(t)进行分解,通过Matlab仿真得到分解后各频率分量的波形如图3所示。
由图3可以看出,谐波源中的各次谐波和间谐波分量被分解到了不同的频带中,这表明利用谐波小波算法来实现电力系统谐波和间谐波信号的分离是完全有效的。下一步需要对分解出的各个频带分量进行参数提取,以计算出各次谐波的频率和幅值。
最小二乘法拟合是一个基于全局观念的拟合方法,针对某一样本数据集合,利用该方法可以求得该集合中的主流趋势。利用最小二乘法对6个频带内的谐波和间谐波分量进行拟合,并且定义频率和幅度的误差率分别为:
其计算结果如表2所示。
由表2可以看出,利用HWT法分解并拟合出的各次谐波频率的误差率在10-4数量级,幅度的误差率在10-2数量级,完全符合谐波分析的精度要求。由此可见,HWT法在谐波频率和幅值的检测中具有非常明显的优势。
4 结 语
将谐波小波引入电力系统的谐波分析中,首先阐述了经典谐波小波及其改进及谐波小波包的概念,接着利用推导出的谐波小波算法对电网中的谐波源信号进行谐波参数提取。仿真结果表明,谐波小波变换可以快速有效地对电力系统中的电压谐波以及间谐波进行检测,并能准确地分解出各次谐波分量。可以预计,随着谐波小波理论的不断发展和完善,谐波小波变换必将在电力系统间的谐波分析中发挥更大作用。
摘要：电力系统中的谐波对电网危害巨大,对其进行监测和分析就显得非常重要。在谐波小波以及谐波小波包的基础上,提出谐波小波变换的表达式以及谐波小波算法,给出电力系统谐波分析的仿真示例。仿真结果表明,利用谐波小波变换分解,并通过最小二乘法拟合出的各次谐波频率和幅度的误差率完全符合谐波分析的精度要求。在电力系统谐波的分析中,谐波小波算法具有其他算法无可比拟的优越性。
谐波管理 第10篇
关键词：谐波,超级谐波,逆变器,开关电源,电能质量,电磁兼容
0 引言
关于较高频率(指工频40次或50次以上)谐波问题,最早见于文献[1-2],于2002年列为这两个IEC国际标准的资料性附录。文献[1]将50次以上的谐波电压和间谐波电压一并纳入“无用电压”(unwanted voltage)范畴。文献[2]则专门谈了50次至9k Hz谐波频率的测量问题。应注意,IEC将低频和高频的分界点定为9k Hz,因此所谓“较高频率谐波”指的是约2k Hz(对应欧洲通用的40次谐波)至9k Hz的谐波,仍属低频传导干扰范围。由于在电网中纹波控制接收机响应水平低至0.3%标称电压,为了避免被干扰,文献[1]的附录B中建议50次以上,9k Hz以下单次谐波限值为u=0.2%;对于这个范围内任何200Hz带宽的谐波,设其中心频率为F,则建议限值为:
式中:U1为基波电压有效值;Uf为频率为f的电压分量有效值;F为频带的中心频率(高于50次谐波的频带)。
文献[1]附录B中指出,已有超过上述水平引起干扰的一些实例,但目前对这些频率成分在电网中的影响,知之甚少,还不足以确定公认的兼容水平。
从2000年以来,对于“较高频率”谐波,在国际电工委员会(IEC)、欧洲电工技术标准化委员会(CENELEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)以及IEEE等国际组织中均开展研究,并根据干扰源(例如换流器、开关电源)和敏感设备(例如电力线载波通信)的频谱覆盖范围,将频率拓展为2k Hz~150k Hz,并定义为“超级谐波”(supraharmonics)。
对于超级谐波,我国尚未开展相关的研究,但某些影响已有察觉。本文主要根据近期国外文献资料,简要介绍超级谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究的动态,供相关专业人员参考,以期在国内开展这方面的研究。
1 超级谐波的产生
当今,电力电子技术仍在快速发展,其应用范围几乎渗透到各个领域。该技术发展的重要标志之一是晶闸管的开关速度大幅度提高,例如逆变器(DC/AC变换器)的开关频率已从早期的几十赫兹、几千赫兹提高到几十千赫兹甚至几百千赫兹。随着可再生能源的大力开发,特别是大量太阳能光伏逆变器(即PV逆变器)的投入,以及各种开关电源的应用,使电网(主要在低压电网)中2k Hz~150k Hz范围内超级谐波迅速增加,其有害影响的案例也在不断上升。
另外,公用电网一般还用于信号传输,文献[3]中考虑了3种类型信号系统:
1 ) 电力公司的脉动控制系统, 频率范围为100Hz~3k Hz(一般低于500Hz),正常情况下在5%UN以内,有谐振时可达9%UN。
2 ) 电力公司的电力载波, 频率范围为3k Hz~95k Hz,允许信号水平为5%UN,这些信号在电网中传输时会很快衰减(大于40d B)。
3 ) 末端用户( 居民区或工业用户) 的信号系统, 如欧洲( I T U区域1 ) 频率范围为95k Hz~148.5k Hz,允许信号水平分别为0.6%UN或5%UN。在某些国家或地区,频率上限到500k Hz,允许信号水平为2m V~0.6m V。这些信号的频率相当部分在超级谐波范围内,因此电网中超级谐波源既有各种电子设备产生的,也有人为使用的通信设备产生。
2 超级谐波的特点
研究证明,2k Hz~150k Hz谐波的传输扩散不同于普通谐波发射,这是一种新型电能质量现象。特点之一是所谓的原生发射(primary emission)和次生发射(secondary emission)。原生发射是指骚扰源(装置)单独引起的发射;次生发射是指其他装置发射时对其影响后骚扰源(装置)的发射。这两者有明显的不同。影响原生发射的主要因素有:①装置的拓扑结构;②连接点的阻抗;③谐振。在低压网络中,装置的连接点阻抗由变压器、电缆(称之为“网络的阻抗”)以及建筑物内部线路,连同其他连接装置阻抗构成,后者可以称为设施的阻抗,在2k Hz~150k Hz频率范围内,网络阻抗以电感为主,较设施阻抗(往往以所连装置的电容为主)相对要高。影响次生发射的主要因素有:①邻近装置的发射强度;②装置连接点阻抗和网络以及设施阻抗的关系。
图1是一台电视机(TV)对一个PV逆变器的原生和次生发射的实测波形[4]。PV逆变器产生的主要谐波频率16k Hz,当TV连接时,PV逆变器的次生发射在16k Hz处频谱明显放大;另外出现55k Hz谱线,后者在原生发射中不出现,说明是由TV产生的。测试还发现,超级谐波频率越高,则传输距离越近:由PV逆变器产生的16k Hz分量水平在试验屋内的连接点处保持相当稳定,在公共连接点(PCC)处略有降低,在PCC处测不到屋内其他装置产生的55k Hz~150k Hz电压或电流成分,这说明这些频率分量只在室内电器之间传递,并不进入电网。这是超级谐波的另一特点。
因此,确切了解在设施(例如一个实验室,一个家庭)中运行的电子装置(例如PV逆变器、TV、LED灯、便携式电脑等等)端子上电流,必须区分原生和次生发射。一台装置的次生发射受邻近设备的容量和性能影响极大,这在考虑电子装置的电磁兼容水平时是需要详细研究的。将一个设施作为整体,其测量结果,不能给出设施内部发射水平的正确表示;反之,各装置端子上发射测量不能代表整体设施对电网的发射。实验室中发射结果也不能很好反映实际使用情况,这给超级谐波影响研究和标准的制定带来很大的复杂性。
3 超级谐波的影响
文献[5]指出:电网中2k Hz~150k Hz频率范围的发射水平持续上升,由此引发的干扰事件也不断增加,例如设备误动,表计指示失真,电子镇流器的噪声加大等。研究指出,高频(HF)电压成分在电网中一般传输不很远,原因是安装在HF发射源附近的其他电子设备常提供比网络本身阻抗低得多的通路,这种低阻抗通路主要是由并联电容器(它可能是EMC滤波器组成部分)或整流器的直流联络环节,其中关键是电介质电容器,这种电容器通过HF电流时会产生附加发热,减少寿命,从而造成电子设备故障。
文献[6]对窄带电力线通信和末端用户设备之间在实验室和现场做了5种不同类型的相互作用测试,认为末端用户设备造成低阻抗通路是发生通信故障的最普通的原因;由于末端用户设备的并联电容,也有可能使载波通信损坏接入电网的设备。
4 仿真模型
为了研究超级谐波在低压配电网中的干扰影响,文献[7]基于Matlab/Simulink软件及其Sim Power Systems程序库建立一个仿真模型,扼要介绍如下:
1)逆变器模型。见图2,用最通用的PWM控制开关,用此方法使低频谐波较少,但高频谐波较大。在直流侧只用一个直流(DC)电压源(U=360V),因为该回路对交流侧HF干扰的影响不大;Lf滤波器已选定(Lf=12.8m H),主要使低于2k Hz的谐波满足标准要求,并可减少2k Hz~150k Hz谐波(尚无标准)。
2 ) L V配电网模型。 该模型分为两个部分, 首先是LV馈线,为了简化,采用三相分段π线路模型,见图3。和低频(LF)模型相比主要有两点不同:首先在高频(HF)情况下电容不能忽略,这使分析计算复杂化;另外在HF下电阻因集肤效应变大,而且不同频率应取不同电阻值,不过在综合元件模型中(例如用Sim Power System程序库中的模型)电阻值必须固定,本模型参数是从表1的正序和负序参数中推出的。除了LV馈线,MV/LV变压器是网络中主设备,变压器的参数是由特别测试得到的,预先包含在中压(MV)网的戴维宁(Thevenin)等值模型中,上述的MV电源用Sim Power System程序库的三相电压表示,其短路功率150MVA,X/R为4/7,这些均是典型值。
在上述模型基础上,搭建各种仿真线路图,例如图4为研究一台逆变器和一个整流型负载相互影响的仿真框图。
5 研究动态
由于电力电子技术的发展和迅速普及,近10年来,电网中“超级谐波”水平日益增加,相关的异常和事故不断出现,迫切需要对其作深入研究,使其标准化。目前已有多个工种组开展了这个课题的工作[8]。CIGRE/CIRED联合工作组C4.24:“与未来电气网络相关的电能质量和EMC问题”对频带为2k Hz~150k Hz超级谐波的研究是现行活动的重要部分;超级谐波也是CIGRE C4/C6.29工作组:“太阳电力电能质量方面”研讨的主题之一;CIGRE C4.31关于电力线通信9 k H z ~ 1 5 0 k H z频带, 作为潜在干扰问题在讨论。 在IEEE内部,IEEE P1250(电力和能源学会)已研讨了超级谐波,并作为IEEE EMC学会TC7的重要领域。IEC TC 77A内部几个课题组和工作组均涉及这个频率范围。虽然TC 77A(低频现象)和TC 77B(高频现象)之间分界定在9k Hz,这个界限现在应当被视为历史了。
在欧洲, 标准化组织C E N E L E C中, 尤其是负责欧洲电压特性标准EN 50160的工作组,对于2k Hz~150k Hz频带超级谐波标准化的需求,也在应用导则中提及,超级谐波问题也包含在新近制定的IEC TS 62749中[3]。由超级谐波的发射观察到的干扰信息由CENELEC TC 210汇总,其中与电力线通信的潜在干扰成为主要因素。该频率范围发射的定量是最新起草的IEC 61000-4-30(即电能质量测量方法)标准中的一部分。关于电力线通信的欧洲标准(EN 50065)和其对应的IEC标准(IEC 61000-3-8)中明确频率范围为9k Hz~148.5k Hz。
6 结语
2k Hz~150k Hz的超级谐波的研究是一个快速发展的领域[9],特别是用于可再生能源的电网逆变器和开关电源的影响,这类谐波大量引入现代低压电网。引发了不少电能质量新问题,迫切需要深入探讨。目前国际上已有多个工作组在从事这方面研究,国内也应积极开展此项研究工作。本文主要根据近期国外文献资料,简要介绍超级谐波的产生、影响、主要特点以及目前研究的概况,供相关专业人员参考。
参考文献
[1]IEC 61000-2-2 EMC-Part 2-2:Environment-Compatibility levels for low-frequency conducted disturbances and signalling in public low-voltage power supply systems[S].International standard,second edition,2002-03.
[2]IEC 61000-4-7 EMC-Part 4-7:Testing and measurement techniques-General quide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation,for power supply systems and equipment connected thereto[S].International Standard,second edition,2002-08.
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东莞地区谐波源测试分析 第11篇
关键词：谐波源；统计分析；谐波污染
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）17-0053-04
自2012年至今，每年均开展干扰源客户电能质量普查测试，并形成分析报告。通过开展本地区本年度电能质量干扰源用户的完整工况周期的电能质量监测，记录统计该用户的各项电能质量指标及其他相关运行参数，较好地掌握了本地区供电电能质量状况。项目基于2012～2015年的东莞电网的147条线路的普测数据，统计本地区主要工业谐波源的类型、特性以及近年的谐波污染事件，建立了东莞地区主要工业谐波源数据库，并对测试结果进行了如下分析。
1 谐波源分类
谐波源产生的谐波，与其非线性特性有关。电力系统的谐波源大致可以分为3类：
①含有铁磁非线性负荷的谐波源。如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。这类谐波源在电力系统谐波源中所占比例并不大。
②含有电弧型负荷的谐波源。如电弧焊机、电弧炉这种强非线性、冲击性负载的负载。这类谐波源不仅含有奇次谐波，还含有偶次谐波。
③含有半导体非线性元件的谐波源。随着整流技术的发展，大量电力电子设备的投入应用，这些装置在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用，并正在蓬勃发展。这类谐波源是电力系统中主要的谐波源。
2 东莞地区工业谐波源统计分析
东莞地区谐波源分属半异体及集成元器件制造、玻璃及玻璃制品制造、电子生产及加工、钢铁、光伏、货运、机械、金属工具制造、塑胶、铁路运输业、通信、五金、造船及造纸等行业。企业用电特征有恒速持续运行工作、反复短时工作、持续运行工作及间歇运行工作等特点。
负荷设备包括注塑机、冲压机，冲孔机、注射机、CNC机、压编机，冷却机、通信设备、空压机、钻孔机、图形电镀、内层干膜、抽气电动机、精炼炉、电子制品生产、加工设备、冰水机组、涂装烤炉、数控机床、电炉等设备。设备负荷特性包括负荷基本稳定、负荷时刻变化、负荷接近阻性、电流波动大等情况。
对东莞199条专线用户进行统计分析，获得的信息，见表1。
3 东莞地区谐波源测试分析
3.1 按用户类型分析
2012年至2015年共测量147条干扰源用户线路，其中属于电子行业的有77条线路，属于五金加工业的有17条线路，属于其他制造加工业的有35条线路，属于其他行业的有18条线路。各行业谐波超标率，如图1所示。
电子行业的77条线路中，31条线路存在谐波超标问题，超标率为40.3%；五金加工业的17条线路中，12条线路存在谐波超标问题，超标率为70.6%；其他制造加工业的35条线路中，19条存在谐波超标问题，超标率为54.3%；其他行业用户的18条线路中，9条存在谐波超标问题，超标率为50%。
3.2 按电压总畸变率（THD）分析
东莞干扰源用户中，所产生的电压总畸变率（THD）超过国标限值的用户有46条。46条超标线路的电压总畸变率概率值分段统计图，如图2所示。
按国标限值的百分比进行分段，分别表示落在国标限值某百分比内的测试点占总测试点数的比例，具体分段方法，见表2。电压总畸变率概率值分段统计图，如图3所示。
3.3 按电压谐波含有率分析
2012年至2015年共测量147条线路，其中59条存在电压谐波超标问题，其中57个用户仅出现3次电压谐波超标现象，1个用户出现2次、3次电压谐波超标现象，1个用户出现5次电压谐波超标现象。
电压谐波超标的测试点各次电压谐波测试结果超标分析图，如图4所示。
3.4 按电流谐波含有率分析
2012年至2015年共测量147条线路，其中31条存在电流谐波超标问题，其中5个用户出现3次电流谐波超标现象，29个用户出现5次电流谐波超标现象，15个用户出现7次电流谐波超标现象，个别用户出现4/6/8/9/11/13次电流谐波超标现象。电流谐波超标的测试点各次电流谐波测试结果超标分析图，如图5所示。
3.5 按同一用户馈线不同时期分析
2012～2015年共测量147条线路，其中16条用户馈线分别在2个不同时期对其进行测量，下面主要对同一用户馈线不同时期进行比较分析。
同一用户馈线在不同时期呈现不一样的谐波规律，因此可将线路分为以下8类：
Ⅰ类：前后期均符合国标要求，谐波基本保持不变。
Ⅱ类：前后期均不符合国标要求，谐波基本保持不变。
Ⅲ类：前后期均不符合国标要求，谐波呈增长趋势。
Ⅳ类：前后期均不符合国标要求，諧波呈降低趋势。
Ⅴ类：前期符合国标要求，后期不符合国标要求，呈增长趋势。
Ⅵ类：前期不符合国标要求，后期符合国标要求，呈降低趋势。
Ⅶ类：前后期均符合国标要求，谐波呈增长趋势。
Ⅷ类：前后期均符合国标要求，谐波呈降低趋势。
对16条用户馈线进行分类，分类结果，见表3。
3.6 按同一用户多回路供电分析
主要对同一用户多回路供电进行比较分析。2012～2015年共测量147条线路，其中13个用户使用多回路馈线供电，分别对其多条回路进行测量。这13个用户的谐波超标情况如下：
①东莞广泽汽车饰件有限公司两回线路中F32桥南线发现THD超标；F32桥南线和F13东泽线均发现电压谐波含有率3次测试值超标、谐波电流值5次和7次测试值超标；
②东莞雷风科技有限公司两回线路中仅F11雷风一线发现电压谐波含有率3次测试值超标；
③东莞南玻工程玻璃有限公司两回线路中F3南玻丙线和F20南玻丁线均发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标；F20南玻丁线发现谐波电流值5次测试值超标；
④东莞市东基实业有限公司两回线路中F1东基甲线和F2东基乙线均发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标、谐波电流值3次、5次、7次测试值超标；
⑤东莞伟易达电子通讯设备厂两回线路中仅F35伟易达Ⅲ线发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标；
⑥东莞益海嘉里粮油食品工业有限公司两回线路中F31益海线和F32益海丙线发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标；
⑦广东生益科技股份有限公司两回线路中F25生益甲线和F30生益丙线均发现谐波电流值5次测试值超标；F25生益甲线还发现谐波电流值7次测试值超标；
⑧广东粤港供水有限公司两回线路均未发现超标项；
⑨广东中远船务工程有限公司两回线路中F26中远甲线和F27中远乙线均发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标；
⑩华为机器有限公司三回线路均未发现超标项；
11 精成科技电子（东莞）有限公司两回线路均未发现超标项；
12 米亚精密金属科技（东莞）有限公司两回线路均发现THD超标、电压谐波含有率3次测试值超标、谐波电流值5次、7次测试值超标；
13 信义超薄玻璃（东莞）有限公司三回线路中仅F2超白甲线发现谐波电流值5次测试值超标。
3.7 按地区分析
关于谐波的测量指标共3个，分别是谐波电压总畸变率、各次谐波电压含有率和各次谐波电流值。对东莞变电站的谐波污染程度由轻微污染到严重污染依次划分为优、良、中、差四个等级。变电站的谐波污染程度是根据各个变电站的线路谐波测量结果中，该变电站的测量线路的谐波指标超标个数的平均值a而定，a的计算方法如下式：
具体的谐波污染等级划分如下：
①当某变电站的线路谐波指标超标个数平均值为a=0时，则谐波污染等级为“优”；
②当某变电站的线路谐波指标超标个数平均值为0
③当某变电站的线路谐波指标超标个数平均值为1
④当某变电站的线路谐波指标超标个数平均值为2
根据2012年12月至2015年12月期间对东莞地区69座典型变电站的147条线路的谐波测量結果，对69座典型变电站的谐波污染程度由轻微污染到严重污染依次划分为优、良、中、差四个等级，见表4。东莞谐波污染分布图，如图6所示。
5 结 语
结合变电站地理位置，绘制了东莞谐波污染分布图，如图6。将谐波污染程度由轻微污染到严重污染依次划分为优、良、中、差四个等级，分别用绿、蓝、黄、红四个颜色表示。69座典型变电站基本上覆盖了东莞的所有镇区。由每个镇区的若干个变电站的谐波污染程度，可以对该地区的谐波污染情况有大致的了解。
通过分析可以看出，谐波污染等级为差的变电站有：大朗镇的110 kV石厦站、道滘镇的110 kV道滘站、东城区的220 kV板桥站、凤岗镇的110 kV黄洞站、寮步镇的220 kV跃立站、麻涌镇的110 kV麻涌站、中堂镇的220 kV进浦站。这些变电站的谐波污染情况较为严重，需重点关注。
通过对东莞地区谐波源将近几年的现场测试数据按照不同的途径进行分析，得到东莞地区污染严重的行业、掌握东莞地区谐波污染的程度及分布。
参考文献：
谐波管理 第12篇
大量电力电子和非线性负荷的接入, 使得电力系统中的谐波污染越来越严重。这些谐波包括基波频率整数倍的谐波和非基波频率整数倍的间谐波。谐波会使电能损耗增加、保护装置工作异常, 影响电力系统安全经济运行;谐波还将会使用户的仪表设备受到电磁干扰甚至运行瘫痪, 造成重大经济损失[1]。因此, 必须对电网谐波进行准确的检测和分析, 从而为有效治理谐波提供可靠依据。
快速傅里叶变换 (FFT) 是谐波分析最快捷的工具[2]。非同步采样时, FFT应用于谐波分析容易造成频谱泄漏和栅栏效应, 影响谐波相量计算的准确度。消除频谱泄漏和栅栏效应的最有效方法是对被分析信号同步采样并整周期截断, 但被分析信号中同时有谐波和间谐波时, 实现同步采样是不可能的。针对FFT算法的不足, 国内外学者提出了一系列加窗插值FFT算法[2,3,4,5,6,7,8]和多项式拟合的双谱线插值[9,10,11,12]等方法, 在这些方法中用加窗来减少频谱泄露的影响, 用插值的方法来消除栅栏效应的影响, 它们都有效地提高了谐波分析精度[13,14,15,16]。但随着插值修正曲线拟合函数的阶次增高及谐波含有次数的增多, 谐波估计精度提高的同时计算量大量增加。另外还有很多学者提出了其他相关方法, 各有所长, 在此不一一赘述[17,18,19,20,21]。本文将提出一种计算耗时少、谐波参数估计精度高的实时分析新方法。本文算法与其他算法的本质区别包括: (1) 首次将kpm的通用表达式进行了数学证明 (附录A) , 之前学者有过相关提法, 但未对其表达式进行完整数学证明; (2) 以主瓣能量代替整个频谱能量来估计谐波频率及幅值相位, 限定了主瓣的谱线个数; (3) 由于明确了主瓣的谱线个数, 因此才能进行相关误差分析。文中误差分析也未见相关报道。
1 估计电力参数的理论依据
多频电力谐波信号可表示如下:
式中:p为序数字;P为谐波分量的总数;rp为谐波次数, 正整数时为谐波, 有小数时为间谐波;Ap为第rp次谐波幅值;f1为电力信号基波角频率;φp为第rp次谐波初相角。
式 (1) 离散化后得到数字序列:
式中:Ts为采样周期;n为序列号, n=1, 2, …。
选择对称余弦窗函数w (n) 加权x (n) , 得到:
式中:n=0, 1, …, N-1;N为w (n) 序列的长度;m+1为窗函数的项数。m值和ai值决定了窗函数, 如:m=0, a0=1时为矩形窗;m=1, a0=0.5, a1=0.5时为汉宁窗;m=2, a0=0.42, a1=0.5, a2=0.08时为布莱克窗;m=3, a0=0.355 768, a1=0.487 396, a2=0.144 232, a3=0.012 604时为4项1阶纳托尔 (Nuttall) 窗;m=4, a0=1, a1=1.6, a2=0.8, a3=0.228 57, a4=0.028 57时为5项莱夫 (RifeVincent) 窗等。
w (n) 序列的中点为 (N-1) /2, 对w (n) 进行离散傅里叶变换 (DFT) , 依据傅里叶变换的位移性质, 并且考虑到N远大于1, 得到:
式中:, 其中WR (k) =sin (kπ) / (Nsin (kπ/N) ) 为狄里克利核 (Dirichlet kernel) 。由于N足够大, Nsin (πk/N) ≈πk, 所以WR (k) =sin (kπ) / (kπ) 。
对式 (3) 进行DFT得到:
式中:kpm=rpf1/Δf=rpf1TsN, 其中Δf=1/ (NTs) 为离散频谱的频率间隔。
假定kpm为整数, 即观测时间NTs为被分析信号周期的整数倍, 则kp=kpm恰好是序列频谱Xw (k) 的一个FFT谱值 (kp为rp次谐波或间谐波的最大谱线) , 并且位于窗函数的重心, 则Xw (kp) =Apepjφ。由于非同步采样, 或被分析信号有非整数次谐波, kpm一般不会是NTs的整数倍, 即kp≠kpm, 不在窗函数的重心, 偏离Δkp, 见图1。
可以证明, 对所有的对称余弦窗函数, 任意给定一个|kp-kpm|=|Δkp|≤0.5, 当q (q≤N/2) 足够大时, 式 (7) 成立 (证明过程见附录A) 。
本文分析中式 (1) 至式 (7) 见参考文献[22-23]。式 (7) 的证明及附录A内容为作者自己推导。
实际计算各次谐波的能量谱重心kpm时, 若选择合适的窗函数截断, 频谱功率主要集中在频谱的主瓣内, 因此, 只要用频谱主瓣内的谱线就可很精确地估计出kpm。式 (7) 是适用于多频谐波信号的公式, 其主瓣能量主要反映需要求解的频率, 而远离主瓣的旁瓣虽然也含有频率信息, 但由于其能量较小, 且易受其他频率旁瓣的干扰, 取多反而会影响精度, 因而不予考虑, 由于某些窗函数的主瓣能量非常集中, 因此其误差非常小。
由于是仅用主瓣功率来对电力各谐波的参数进行估计, 因此, 主瓣功率相对于总功率的比重愈高, 电力谐波参数的估计精度也就愈高。对称余弦窗函数的主瓣宽度为2 (m+1) Δf, 则式 (7) 近似视为:
式中:X (·) 为与窗函数w (n) 长度相同的序列x (n) 的FFT值, X (k) =fFFT (x (n) ) 。
因此各次谐波 (包括基波) 频率可由式 (9) 求得:
由式 (6) 可得:φkp=φp-πΔkp, 由此得到各次谐波的相位校正值为:
式中:φkp为rp次谐波峰值谱线的相位。
按照Parseval定理, 信号的频谱总功率应该等于信号在时域的总功率, 得到:
在频域内考虑用主瓣功率近似视为总功率, 即
式中:Ap′为rp次谐波的估计值;Kg为窗函数功率恢复系数, 取x (n) =1, 则
由式 (14) 可求得各对称窗函数的功率恢复系数见表1。由上述分析可知, 可以用式 (8) 和式 (9) 来估计各电力谐波的频率, 用式 (10) 和式 (12) 来分别估计各电力谐波的相位和幅值。
2 估计误差
本文提出的谐波幅值估计方法的误差来自2个方面: (1) 由于用rp次谐波主瓣频谱能量替代总频谱能量, 忽略了旁瓣能量而引起的误差; (2) 其他频率信号的频谱对rp次谐波频谱的干涉引起的误差。先分析前一种误差。
设某次rp谐波幅值的估计误差为:
由于Ap′≈Ap, 即Ap′+Ap≈2Ap, 因此
用式 (11) 至式 (13) 代入式 (16) 简化得:
式 (17) 说明, 相对估计误差与被测信号参数无关, 仅取决于窗函数旁瓣能量与总能量的比例。由于所要分析的谐波信号两邻近频率间隔都大于窗函数主瓣宽度, 因此相互间的干扰主要是旁瓣能量的干扰。也就是rp次谐波受到rp±1次谐波频率的旁瓣能量干扰, 而旁瓣总能量最多只占频谱总能量的二分之一 (见式 (16) ) , 因此如果将其全部考虑进去, 误差也最多等于旁瓣总能量除以频谱总能量的二分之一, 而大部分情况都不可能到这么大, 因此是不大于旁瓣总能量除以频谱总能量的二分之一。
若能保证多频电力谐波信号中任何相邻2个信号之间的频率差值大于加权窗函数频域的主瓣宽度, 即满足:
则同样, 2个边频信号rp±1次谐波的频谱对rp次谐波频谱的干涉所引起的误差也将不大于旁瓣总能量除以频谱总能量的二分之一。因此, 本文提出的谐波参数估计方法的总相对误差取决于所选择的加权窗函数, 不大于窗函数的旁瓣总能量与窗函数频谱总能量的比值。因为窗函数的主瓣功率相对于总功率的比重愈高, 电力谐波参数的估计精度也就愈高, 因此, 寻找主瓣功率相对于总功率的比重高的窗函数是减少测量误差的有效办法。各窗函数旁瓣能量相对值和主瓣宽度见表2, 其中能量比值已转换为分贝表示。
然而, 在实际测量时对窗函数的选择还是不能仅从主瓣功率的集中度单方面考虑。一方面, 从表2可见, 主瓣功率的集中度与主瓣宽度相关联, 主瓣功率愈集中, 主瓣宽度也愈宽。如汉宁、布莱克、纳托尔[12] (4项) 和莱夫窗[10] (5项) 4个窗的主瓣宽度分别为4Δf, 6Δf, 8Δf和10Δf。主瓣宽度愈宽, 当被分析信号中有2个或2个以上频率间隔较小的谐波信号时, 就可能不能满足式 (18) , 将引起主瓣“谱间干涉”, 反而会降低估计精度。图2是用不同窗函数加权, 用本文方法估计的幅值相对误差随2个谐波间隔频率变化的曲线。图2横轴为给定2个谐波信号的频率间隔, 用Δf的倍数来衡量, 纵轴为幅值相对误差, 两信号频率取1。
仿真表明, 给定2个混合频率的谐波信号, 当2个信号的频率间隔达到某种窗的主瓣宽度时, 误差明显增大, 否则误差不明显, 呈平稳状态, 反映了不同窗的主瓣宽度不同导致对频率的分析能力不同, 当频率间隔小于其主瓣宽度时, 会产生主瓣的“谱间干扰”, 误差大大增加。另一方面, 在实际谐波测量时, 由于信号传感器精度的限制, 追求过高的理论分析精度没有太大意义, 一般实际测量绝对误差能达到10-2足矣。因此, 当仅需要测量整数次电力谐波时, 按照国标或国际电工委员会 (IEC) 标准, 分析数据长度NTs=200ms, 两被测信号的频率差至少有10Δf, 可多考虑选择主瓣功率集中度高的窗函数, 如纳托尔、莱夫窗。由附录A表A1结果可见:绝对误差可达到10-9~10-6;但若要考虑兼顾测量间谐波时, 还必须考虑窗函数的主瓣宽度, 兼顾考虑主瓣宽度和能量集中度, 如汉宁窗;同时, 绝对误差可达到10-4~10-2, 能满足实际测量要求。
对于谐波的实时测量, 主要兴趣是在满足分析精度的条件下尽量使计算耗时小。减少计算耗时除选择计算量相对少的算法外, 缩短分析数据长度N, 即采用“短窗”加权也是一个有效措施。式 (18) 为挖掘运算耗时的潜力、判断各次谐波估计误差是否在预定范围以内提供了依据。从降低计算耗时考虑, 也从适应被测信号的动态变化考虑 (“短窗”更利于适应被测信号的动态变化) , 可尽量缩短被分析数据的长度NTs, 即采用“短窗”。只要被分析信号加窗截断, 经FFT后, 各个峰值谱线的间距都大于所加窗函数的主瓣宽度, 这就表明被分析信号的各次谐波的任何2个之间的频率差大于2 (m+1) f1, 即满足式 (18) , 就可判断各次谐波估计误差是在预定范围以内。反之, 若不能满足式 (18) , 则可适当加长分析数据长度NTs, 直到经FFT后, 各个峰值谱线的间距都大于所加窗函数的主瓣宽度为止。
3 仿真与模拟测量
3.1 仿真
本文采用的仿真软件为MATLAB 8.1.0 (R2013a) 。采样频率fs为5 120 Hz, 截断信号的数据长度N为1 024点 (10个周期) [24];仿真模型如式 (1) 所示。计算FFT时, 一般要求采样点为2N个, 故取210=1 024点。文献[24]中IEC标准规定采样时间为10个周期 (0.2s) , 故采样频率为5 120Hz。关于选取被分析数据长度问题, 这里涉及2个选取原则: (1) 要考虑计算量, 相同采样频率, 选取点数越多, 则计算量越大; (2) 要考虑分析数据较长则反映谐波的全局变化, 分析长度较短则反映局部变化。如果谐波动态变化比较多, 则适宜选择较短的分析长度。
附录A表A1是各谐波仿真模型参数和采用4种不同窗函数时的电力谐波参数理论值和仿真估计值 (从表中幅值小数保留位数只能看出与理论值差别;相对误差保留4位有效数字, 以便能看出差别, 下同) 。对比附录A表A1中理论值和仿真估计值可见, 与理论分析是相符的。
附录A表A2是将间谐波从281.3 Hz调整到176.1Hz的仿真结果, 151.2Hz和176.8 Hz两信号的频率只有5Δf。由于汉宁窗的主瓣宽带为4Δf, 小于两信号的频率间隔, 误差增大不是很明显, 其他误差明显增大, 并且, 窗的主瓣宽度愈大, 虽然主瓣功率集中度愈高, 但误差反而愈大, 这些误差是由主瓣“谱间干扰”引起的。对比表A1和表A2数据, 证明了本文估计误差分析的正确性。
3.2 模拟测量
本文采用图3方法来模拟测量。首先由MATLAB按式 (1) 模型和附录A表A3参数建模, 然后用安捷伦的任意波形发生器33511B进行数/模 (D/A) 转换, 将所建模型转换成模拟信号, 最后用合众达公司的DSP2812开发板, 通过16位模/数 (A/D) 采样转换为数字信号, 并用本文算法计算, 完成模拟测量。A/D采样频率为5 120Hz, 分析数据长度为1 024点 (10个周期) 。由于任意波形发生器产生的电压幅值有限, 无法达到附录A表A1中的电压幅值要求, 因此其对输出电压幅值自动进行了等比压缩。
附录A表A3是采用本文所提算法的模拟实验结果, 同样具有让人满意的估计精度。本文所提出的方法虽然是一种谐波参数的估计方法, 但估计精度却是很高的, 不比其他加窗插值校正FFT方法或是双谱线插值拟合方法的计算分析精度低, 而这种高精度估计方法的计算量则大大降低, 很适合在嵌入式系统上实时测量。尤其是在只需知道各谐波幅值时计算量就更小, 单片数字信号处理器 (DSP) 就可在线测量, 是一种很有实用价值的电力谐波高精度估计方法。
4 结语
FFT是电力谐波分析最快捷的方法。然而, 由于非同步采样而造成的频谱泄漏和栅栏效应的存在, 信号相量的分析误差较大。加窗插值法能有效地提高谐波估计的精度, 但随着插值修正曲线拟合函数的阶次增高及谐波含有次数的增多, 谐波估计精度提高的同时计算量大量增加, 不适合于在嵌入式系统和DSP上应用。本文提出了一种电力谐波分析的新思路, 用窗函数的功率重心获得各次谐波的频率和相位, 通过Parseval定理精确估计出电力谐波的幅值。较之其他FFT校正算法, 本文所提算法计算量大大减少 (单频谐波仿真双峰谱线插值法为0.015 830s, 能量重心法为0.006 488s, 时间相差一半以上) [25], 很适合在嵌入式系统和DSP上应用。仿真试验和模拟测量也证明了这一结论, 该算法是一种很有实用价值的实时电力谐波高精度估计方法。