【正文】 法及非線性負(fù)荷的管理等制定了相應(yīng)規(guī)定來加以嚴(yán)格限制。為了更好的采取措施對電網(wǎng)諧波含量加以限制，必須具有相應(yīng)的監(jiān)測手段。同時(shí)，電力系統(tǒng)諧波問題己經(jīng)受到了世界各國經(jīng)濟(jì)、行政管理部門的重視，不少國家已先后制定了限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，其中也包括一些限制和管理措施。在學(xué)術(shù)上還有許多問題需要人們?nèi)パ芯拷鉀Q、在解決這些問題的同時(shí)，才能真正談其制定合適的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)來限制和管理電力系統(tǒng)的諧波，并對其進(jìn)行有效的抑制，這些問題可歸納為：如何從器件(如：變壓器和其它電磁路件、換流器、特別是各種電力電子器件等)的角度出發(fā)去分析和理解諧波產(chǎn)生的原因：如何利用先進(jìn)的信號分析設(shè)備、數(shù)字儀器、智能儀表等對諧波的幅值和相位進(jìn)行準(zhǔn)確的測量；如何利用網(wǎng)絡(luò)分析方法對諧波分布進(jìn)行分析，如何建立模型和進(jìn)行數(shù)字仿真；如何從諧波角度去衡量電能的質(zhì)量。諧波測量方法雖然在算法設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但輔助算法在很大程度上決定了其能否預(yù)期執(zhí)行和裝置的可靠性，獲得一個(gè)時(shí)滯性小，去噪聲能力強(qiáng)，同時(shí)為后續(xù)分析提供高精度諧波特征的輔助算法并不容易。該檢測法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，輸出阻抗低，如濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性。模擬信號經(jīng)采樣，離散化為數(shù)字序列信號后，經(jīng)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波分析和計(jì)算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗以及對諧波進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)和分析等，各種分析計(jì)算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。3 基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢測與分析1989年，根據(jù)此理論可以得到瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率，將其分解為交流和直流，其交流部分對應(yīng)于諧波電流，由此可以計(jì)算諧波分量。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時(shí)，各電流分量(基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量)的測量電路比較簡單，并且延時(shí)少，雖說被測量對象電流中諧波構(gòu)成和采用的濾波器不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過一個(gè)電源周期，對于電網(wǎng)中最典型的諧波源—三相整流器，其檢測的延時(shí)約為1/6周期。該方法較好地解決了前兩種方法中存在的問題，但在目前條件下，由于耗費(fèi)大，采用這種方法相比之下是得不償失的。小波分析克服了傅立葉分析在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，即它在頻域和時(shí)域同時(shí)具有局部性。5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測與分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是最近發(fā)展起來十分熱門的交叉邊緣學(xué)科，它涉及了生物、電子、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科，有非常廣闊的應(yīng)用前景，它的發(fā)展對未來的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將有重要的影響，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是采用物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)，它之所以受到人們的普遍關(guān)注，是由于它具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力、強(qiáng)魯棒性以及自組織自學(xué)習(xí)的能力。諧波檢測算法向智能化、多功能實(shí)用化發(fā)展，求解方法從直觀的函數(shù)解析過渡到精確的分析和信號處理；諧波檢測效果向高精度、高速度和實(shí)時(shí)性好的方向發(fā)展，現(xiàn)有方檢測精度高則速度慢，檢測速度快則精度低或?qū)崟r(shí)性不好。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢是采用有源電力濾波器 (ActivePowerFilterAPF)。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經(jīng)形成。大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)，即將多個(gè)方波疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。迄今為止，對PWM逆變器的研究已經(jīng)很充分，但對整流器的研究則較少。對于電壓型整流器，需要通過電抗器與電源相連。小容量整流器，為了實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，通常采用二極管加斬波的方式。具體內(nèi)容安排如下:在緒論中介紹諧波分析、檢測和抑制的研究背景、意義、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 2 電力諧波理論介紹“諧波”一詞起源于聲學(xué)。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也ā? 諧波含量所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。 （）式中 — 第次諧波電壓有效值(方均根值) 公用電網(wǎng)的電壓總畸變率應(yīng)該被限制在之內(nèi)。但在實(shí)際中供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。因此，諧波含量是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。其中主要是7次的諧波，平均可達(dá)基波的、最大可達(dá)。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。2 對變壓器的影響變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)（相鄰導(dǎo)線流過高頻電流時(shí)，由于磁電作用使電流偏向一邊的特性，稱為“鄰近效應(yīng)”)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加，其附加損耗可用下式表示： （）式中：為通過變壓器的K次諧波電流；為變壓器的短路電阻；為考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響系數(shù)。在集膚效應(yīng)的作用下，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。其結(jié)果是導(dǎo)線截面內(nèi)流通的電流減少了，而導(dǎo)線外表面的電流密度則增大了，從而使導(dǎo)線的溫度升高。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會(huì)引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以至損壞設(shè)備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。二、對測量表計(jì)的影響 1 對電壓表的影響研究各種電表在畸變電壓波形下的反應(yīng)，一般從頻率特性著手，即觀察各種電表在同一有效值但頻率不同的正弦波形下的指示變化。3 對功率表的影響測量有功功率大都采用電動(dòng)系或鐵磁電動(dòng)系功率表，它們有較好的頻率特性，作為監(jiān)測使用，一般能滿足要求。這種誤差雖有可能部分相互抵消，但仍可能存在，致使電能計(jì)量失準(zhǔn)。五、影響家用電器設(shè)備的使用和壽命低壓電網(wǎng)上的諧波畸變電壓與電視圖形之間有一明顯的相互關(guān)系，如果諧波的干擾超過其容限，就可能會(huì)破壞觸發(fā)器和存儲(chǔ)器所保存的信息，排除干擾后，它仍會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器件里留下痕跡，系統(tǒng)也不會(huì)再恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。 電力諧波的抑制措施一、加強(qiáng)諧波污染源的監(jiān)測主管部門對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波抑制準(zhǔn)備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。難以濾除頻率較低、幅度較大的畸變波。無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流測，由元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。2 有源濾波器早在70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。3 混合法波器(電壓型)原理圖，圖中為交流電源，負(fù)載是諧波源，濾波器由無源濾波器()和有源電力濾波器()組成。指令電流運(yùn)算電路檢測出補(bǔ)償對象的電壓和電流后，發(fā)出補(bǔ)償信號，電流跟蹤控制電路接到此補(bǔ)償指令信號后并進(jìn)行處理、放大，控制驅(qū)動(dòng)電路工作，輸出受控的功率觸發(fā)信號驅(qū)動(dòng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而相互抵消，使電源電流中只含基波不含諧波，從而達(dá)到抑制諧波的目的。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。六、增加換流裝置的相數(shù)換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。為進(jìn)行電力諧波的分析、檢測和抑制奠定了基礎(chǔ)。對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用，是進(jìn)行繼電保護(hù)、判斷故障點(diǎn)和故障類型等工作的重要前提。同時(shí)在故障診斷過程中，由于故障的突發(fā)性、隨機(jī)性強(qiáng)，系統(tǒng)可靠性能分布統(tǒng)計(jì)特征不穩(wěn)定及故障表現(xiàn)形式的多態(tài)性，給故障診斷推理邏輯的設(shè)計(jì)、故障源的正確定位帶來困難。一個(gè)級數(shù)的系數(shù)可由另一個(gè)基數(shù)的系數(shù)導(dǎo)出。電力系統(tǒng)常用的諧波檢測方法是快速傅立葉變換()，是離散傅立葉變換()，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過傅里葉變換器得出所需的誤差信號，再將該誤差進(jìn)行傅立葉()反變換，即可得補(bǔ)償信號。柵欄現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)槔硐氲母盗⑷~變換要求時(shí)域信號是無限長的，而在實(shí)際的諧波測量中只能對有限長度的采樣信號進(jìn)行變換，這相當(dāng)于對無限長的信號進(jìn)行了截?cái)?。使?jì)算出的信號參數(shù)(即頻率、幅值和相位)不準(zhǔn)確，尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量精度的要求，因此必須對算法進(jìn)行改進(jìn)。本文給出了不同窗函數(shù)(如矩形窗、海寧窗、布萊克曼窗、布萊克曼窗一哈里斯窗)的插值算法。該方法用距諧波頻點(diǎn)最近的兩根離散頻譜幅值估計(jì)出待求諧波幅值，同時(shí)用多項(xiàng)式逼近法獲得頻率和幅值修正的計(jì)算公式，這些改進(jìn)降低了頻譜泄漏和噪聲干擾，并推導(dǎo)出一些典型窗函數(shù)的諧波分析實(shí)用修正公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性和易實(shí)現(xiàn)性。這種方法實(shí)時(shí)性較好。 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測與分析方法為了能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測和補(bǔ)償諧波，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測方法法和法，它是目前有源濾波器 (ActivePower Fiiter簡稱)中應(yīng)用最廣的檢測諧波電流方法，這兩種諧波電流的檢測方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時(shí)，各電流分量海波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量)的測量電路比較簡單，并且延時(shí)小。這兩種方法都能準(zhǔn)確地測量對稱的三相三線制電路的諧波值。電路中，電壓和電流的瞬時(shí)值、的表達(dá)式為： () ()式中，、—電壓、電流的有效值；f—電壓與電流之間的相位差。即不消耗能量的功率，其瞬間功率最大值，稱為無功功率。 三相瞬時(shí)無功功率理論，它的提出為諧波的實(shí)時(shí)檢測以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提供了很好的理論基礎(chǔ)。 （） （）式中： （） ，矢量、與和、分別可以合成為(旋轉(zhuǎn))電壓矢量和電流矢量。定義2：三相電路瞬時(shí)無功功率（瞬時(shí)有功功率)為電壓矢量的模和三相電路瞬時(shí)無功電流(三項(xiàng)電路瞬時(shí)有功電流)的乘積。某一相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流也可以分別成為該相瞬時(shí)電流的有功分量和無功分量。從以上各定義可以看出，瞬時(shí)無功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。對于口相及三相中的、各相也能得出同樣的結(jié)論。在電源電壓正弦對稱和線性負(fù)載時(shí)，按該理論分解出的瞬時(shí)有、無功電流均可能含有諧波分量(如不平衡負(fù)載)。檢測諧波電流時(shí)，因被檢測對象中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過一個(gè)電源周期。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率等都是在平均值的基礎(chǔ)上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況。 諧波電流的檢測方法一、檢測方法比較到目前為止，諧波的檢測方法己經(jīng)有很多種，主要包括提取基波分量法、基于的傅里葉分析法、基于瞬時(shí)無功功率理論的 (或)算法及算法等。這種方法思路簡明、原理清楚，但是它具有一定的延時(shí)，檢測的結(jié)果實(shí)際上是較長時(shí)間前的諧波和無功電流，實(shí)時(shí)性較差，再加上其較為復(fù)雜的運(yùn)算，使這種方法的應(yīng)用范圍受到了很大的限制。與 (或)算法相比，算法借助了構(gòu)想的正、余弦函數(shù)，沒有直接使用系統(tǒng)電壓信息參與運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)電壓波形畸變時(shí)，畸變成分在運(yùn)算過程中不出現(xiàn)，檢測結(jié)果不受影響，因此本文采用了這種方法。理想情況下，電網(wǎng)電壓波形應(yīng)為正弦波，但是實(shí)際的電網(wǎng)電壓由于不同的原因會(huì)有一定畸變。瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流的表達(dá)式為： = ()設(shè)分別為各相的基波電流，、為變換后的基波分量，則經(jīng)反變換后，可得到計(jì)算基波分量的公式為：= ()設(shè)為各相量的諧波電流，則有：，這就是補(bǔ)償裝置需要產(chǎn)生的補(bǔ)償電流。通過上述分析，可得出如下結(jié)論：1) 算法只需要三相電路的瞬時(shí)電流和某相(如相)電網(wǎng)電壓的頻率或周期信息，不需要準(zhǔn)確地知道電網(wǎng)電壓的幅值和初始相位信息。 基于算法的諧波電流檢測方法的實(shí)現(xiàn) 正余弦函數(shù)的產(chǎn)生正余弦函數(shù)、可采用鎖相環(huán)加正余弦函數(shù)發(fā)生器的方法，也可采用查表的方法。查表法顯著的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采樣和脈寬生成的時(shí)基相同，不存在非同步問題，而且外部硬件電路簡單、可靠性高、計(jì)算速度快，缺點(diǎn)是要求嚴(yán)格地與電網(wǎng)頻率同步采用，需要占用微處理器的存儲(chǔ)空間和軟件資源。三相電網(wǎng)電流、中的次負(fù)序諧波分量，經(jīng)過變換后，分別轉(zhuǎn)化為、中的次和次諧波分量。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器時(shí)應(yīng)該遵循如下原則：（1） 應(yīng)保證對直流分量的增益為1，并盡可能地衰減直流分量；（2） 為了不使低通濾波算法過于復(fù)雜，的維數(shù)不應(yīng)太高；（3） 為了提高檢測的實(shí)時(shí)性，低通濾波器的單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間短；（4） 應(yīng)保證低通濾波器的單位階躍響應(yīng)的超調(diào)盡可能??；（5） 交流分量的幅值波動(dòng)對直流濾波器結(jié)果的影響盡可能小；目前常用的濾波器形式有濾波器和濾波器。由于的目的是獲取、中的直流分量，而的相位特性對直流量的檢測沒有任何影響，因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常選用濾波器，而不選用濾波器。但是一方面由于它是建立在三相電路的檢測基礎(chǔ)上，對單相電路的檢測要進(jìn)行必要的擴(kuò)充之后才能應(yīng)用，顯得比較繁瑣；另一方面，由于是在理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而理論中三相向兩相的變換時(shí)為了方便計(jì)算瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率而設(shè)計(jì)的，在用法檢測瞬時(shí)諧波電流的時(shí)候，由于電壓信號轉(zhuǎn)換為幅值為單位長度的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，已經(jīng)失去了幅值和相位的信息，因此在算法中瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率也就失去了原有的意義，算法中三相至兩相的坐標(biāo)變換及其反變換也就顯得多余，在三相坐標(biāo)系下同樣可以將瞬時(shí)電流矢量分解為與電壓矢量同