【正文】 法及非線性負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，電力系統(tǒng)諧波問題己經(jīng)受到了世界各國經(jīng)濟、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，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行分析，如何建立模型和進行數(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)計和現(xiàn)實中占據(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，獲得一個時滯性小，去噪聲能力強，同時為后續(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)點是結(jié)構(gòu)簡單，造價低，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)微型計算機進行諧波分析和計算，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行各種統(tǒng)計和分析等，各種分析計算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。3 基于瞬時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有功功率和瞬時無功功率，將其分解為交流和直流，其交流部分對應(yīng)于諧波電流，由此可以計算諧波分量。這兩種方法的優(yōu)點是當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，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，會有不同的延時，但延時最多不超過一個電源周期，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域完全無局部性的缺點，即它在頻域和時域同時具有局部性。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、計算機、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、高速度和實時性好的方向發(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性不好。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，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，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)。但在實際中供電電壓的波形會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，平均可達基波的、最大可達。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，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、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現(xiàn)誤動，以至損壞設(shè)備，與此同時還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。二、對測量表計的影響 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系或鐵磁電動系功率表，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，就可能會破壞觸發(fā)器和存儲器所保存的信息，排除干擾后，它仍會在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲器件里留下痕跡，系統(tǒng)也不會再恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。 電力諧波的抑制措施一、加強諧波污染源的監(jiān)測主管部門對所轄電網(wǎng)進行系統(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，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，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，達到實時補償諧波電流的目的。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。指令電流運算電路檢測出補償對象的電壓和電流后，發(fā)出補償信號，電流跟蹤控制電路接到此補償指令信號后并進行處理、放大，控制驅(qū)動電路工作，輸出受控的功率觸發(fā)信號驅(qū)動主電路產(chǎn)生補償電流，與負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，從而達到抑制諧波的目的。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(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，是進行繼電保護、判斷故障點和故障類型等工作的重要前提。同時在故障診斷過程中，由于故障的突發(fā)性、隨機性強，系統(tǒng)可靠性能分布統(tǒng)計特征不穩(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、故障源的正確定位帶來困難。一個級數(shù)的系數(shù)可由另一個基數(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，再將該誤差進行傅立葉()反變換，即可得補償信號。柵欄現(xiàn)象出現(xiàn)的原因為理想的傅立葉變換要求時域信號是無限長的，而在實際的諧波測量中只能對有限長度的采樣信號進行變換，這相當(dāng)于對無限長的信號進行了截斷。使計算出的信號參數(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，因此必須對算法進行改進。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最近的兩根離散頻譜幅值估計出待求諧波幅值，同時用多項式逼近法獲得頻率和幅值修正的計算公式，這些改進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)的諧波分析實用修正公式，實驗結(jié)果證明了該方法的有效性和易實現(xiàn)性。這種方法實時性較好。 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測與分析方法為了能在線實時監(jiān)測和補償諧波，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)點是當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，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，電壓和電流的瞬時值、的表達式為： () ()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。 三相瞬時無功功率理論，它的提出為諧波的實時檢測以及動態(tài)補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2：三相電路瞬時無功功率（瞬時有功功率)為電壓矢量的模和三相電路瞬時無功電流(三項電路瞬時有功電流)的乘積。某一相的瞬時有功電流和瞬時無功電流也可以分別成為該相瞬時電流的有功分量和無功分量。從以上各定義可以看出，瞬時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載時，按該理論分解出的瞬時有、無功電流均可能含有諧波分量(如不平衡負載)。檢測諧波電流時，因被檢測對象中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但延時最多不超過一個電源周期。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，檢測的結(jié)果實際上是較長時間前的諧波和無功電流，實時性較差，再加上其較為復(fù)雜的運算，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)電壓信息參與運算，當(dāng)系統(tǒng)電壓波形畸變時，畸變成分在運算過程中不出現(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，但是實際的電網(wǎng)電壓由于不同的原因會有一定畸變。瞬時有功電流和瞬時無功電流的表達式為： = ()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：，這就是補償裝置需要產(chǎn)生的補償電流。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)點是數(shù)據(jù)采樣和脈寬生成的時基相同，不存在非同步問題，而且外部硬件電路簡單、可靠性高、計算速度快，缺點是要求嚴(yán)格地與電網(wǎng)頻率同步采用，需要占用微處理器的存儲空間和軟件資源。三相電網(wǎng)電流、中的次負序諧波分量，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)計數(shù)字低通濾波器時應(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） 為了提高檢測的實時性，低通濾波器的單位階躍響應(yīng)的穩(wěn)定時間短；（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對直流濾波器結(jié)果的影響盡可能??；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行必要的擴充之后才能應(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為了方便計算瞬時有功功率和瞬時無功功率而設(shè)計的，在用法檢測瞬時諧波電流的時候，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，因此在算法中瞬時有功功率和瞬時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電流矢量分解為與電壓矢量同