关于电力系统中两大谐波检测法的比较分析

摘 要:由于非线性负载和各种换流设备的广泛应用,使得电力系统中谐波污染日益严重,补偿电力系统谐波,改善供电质量成为当前迫切需要解决的问题。而准确、实时地对电力系统谐波进行检测对其有着重要的意义。在此针对当前电力系统中运用最广的两大谐波检测法进行了全面的分析比较,并提出了该方法的一些改进方向。

关键词:电力系统;谐波检测;傅里叶变换;瞬时无功功率

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)02-205-02

Comparison and Analysis of Harmonic Detection in Electric Power System

JIANG Xuefeng,LI Jie,ZHANG Liwen,LU Yan,MA Chao,QIU Zhongcai

(Southwest Jiaotong University,Chengdu,614202,China)

Abstract:As the non_linear load and a variety of flow devices for a wide range of applications,the harmonic pollution in power system is becoming increasingly serious,compensation for power system harmonics and improving power quality has become the urgent need to be addressed.An accurate,real_time detection on the power system harmonic has its significance.The current power system in the two most widely used methods of harmonic analysis of a comprehensive comparison,and improved directions are proposed.

Keywords:electric power system;harmonic detection;Fourier transform;instantaneous reactive power

0 引 言

近年来,随着电力电子技术的广泛应用,电力系统谐波污染日益严重,已成为影响电能质量的公害\。谐波可使电能的生产、传输和利用的效率降低;使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁;同时可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器设备烧毁;谐波还会对通信设备产生严重干扰等。这对电力系统的安全、经济运行造成了极大的影响。另外谐波抑制及补偿装置到底需要补偿多大的谐波,需要进行怎样的补偿配置,以及需要达到怎样的补偿效果都是以谐波分析得到的结果为依据的。所以对电力系统中的谐波含量进行实时测量,确切掌握电力系统中谐波的实际状况,对防止谐波危害,维护电力系统的安全运行意义重大。

1 当前电力系统中谐波电流检测的两大主要方法

1.1 基于傅里叶变换的谐波检测法

该法是当今应用最为广泛的一种谐波测量方法\。它是根据离散傅里叶变换(DFT)过渡到快速傅里叶变换(FFT)的基本原理而构成的。它通过模拟信号经采样,离散成数字序列信号后,经微型计算机进行谐波分析和计算,得到基波和各次谐波的幅值和相位,并可获得如谐波功率、谐波阻抗等信息,同时还可对谐波进行各种统计和分析等。

但是这种方法存在着频谱混叠、频率分辨能力低、栅栏效应及频谱泄漏等问题,使分析的信号参数(频率、幅值和相位)不准,尤其是相位误差很大,无法满足电力谐波测量要求。目前,对其的改进方法有:利用加窗插值法\、修正理想采样频率法\、双峰谱线修正算法\、准同步采样法\等。

1.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

日本学者赤木泰文等人于1984年首先提出了基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法,最初它是以瞬时实功率p和虚功率q的定义为基础,即p_q理论,后又补充定义了瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq等物理量,瞬时无功功率理论已逐渐完善。目前,它已是应用最广的一种检测谐波电流方法\。当前主要有以下几种方法:p_q法、p_q_r法、ip_iq法以及d_q法等。但这些方法都需要进行坐标变换,且都需要低通滤波器。

2 两大方法的分析比较

2.1 对各种基于傅里叶变换的谐波检测法的分析比较

为了能更形象地进行分析比较,在此进行了列表比较,其特点比较如表1所示。

表1 各种基于傅里叶变换的谐波检测法的特点比较

检测方法特点

利用加窗插值法通过加窗减小频谱泄漏,通过插值消除栅栏效应引起的误差,可减少泄漏,有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰,从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。

修正理想采样频率法对每个采样点进行修正,得到理想采样频率下的采样值,不需要添加任何硬件,实时性好,适合在线测量,但误差稍大一些,只能减少50%的泄漏

双峰谱线修正算法用距谐波频点最近的两根离散频谱幅值估计出待求谐波幅值,同时用多项式逼近法获得频率和幅值修正的计算公式,能有效降低频谱泄漏和噪声干扰

准同步采样法能有效地抑制谐波对测量参数的影响及减小未完全同步产生的误差,获得较高的测量精度

2.2 对各种基于瞬时无功功率理论的谐波检测法的分析比较

谐波检测法的特点比较如表2所示。

表2 各种基于瞬时无功功率理论的谐波检测法的特点比较

检测方法特点适用场合

p_q法没有考虑零序分量,当三相系统不平衡或有畸变时,其检测结果有较大误差仅适用于三相三线平衡正弦电压的供电系统

p_q_r法能够检测在三相不平衡情况下的谐波电流,通过重采样可以减少计算量,以提高计算速度可适用于三相不平衡情况

d_q法实时性好,可检测基波电流有功分量、无功分量和谐波分量,但对参数依赖性大适用于电网电压畸变和不对称情况

ip_iq法能准确地检测对称三相电路的谐波值,实时性较好,在只需测量谐波时可省去锁相环电路能适应不对称电网和电压波形畸变时的情况

2.3 对两大方法的综合性分析比较

两大谐波检测法的优缺点及适用场合比较如表3所示。

表3 两大谐波检测法的优缺点及适用场合对比表

检测方法优点缺点适用场合

基于傅里叶变换的谐波检测法实现简单、功能多且使用方便存在着频谱泄漏、栅栏效应等问题,且实时性不好、精度不高适用于平稳信号,不适于非平稳信号

基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时性较好,延时小,既能检测谐波又能补偿无功控制电路相对复杂,耗费大,所需计算量较大适用于实时性要求不是非常高的

3 方法的改进方向

在对当前电力系统中运用最广的两大谐波电流检测法进行了全面的分析比较后,这里认为其改进方向有:

(1) 对于基于傅里叶变换的谐波检测法首先应该对其存在的频谱泄漏、栅栏效应等问题进行有效地控制尽可能地消除,然后应该对其实时性和精度性进行提高,最后应该推广其适用场合,使之同样适用于非平稳信号。