电力系统谐波检测方法的研究

摘要：近年来，随着电力电子技术的飞速发展和各种非线性设备的广泛应用，电力系统中的谐波源迅速增加，给电力系统及其用户的安全、经济运行带来了严重影响，电力系统中的谐波问题已受到世界范围内的普遍关注。电力系统中谐波的检测是谐波主要研究的问题。对于一个较为复杂的电力系统，不可能完全通过实测了解全网的谐波分布，因此需建立系统谐波分析模型，对系统中的谐波分布进行计算。针对电力系统谐波污染问题，通过对已有的国内外电力系统谐波检测研究现状的分析、比较，本文提出了两种关于电力系统谐波检测方法。本文首先介绍了电力系统谐波的危害、来源，以及电力系统谐波检测方法，详细介绍了傅立叶变换的谐波测量，瞬时无功功率和神经网络分析的谐波测量，并对应用于谐波测量的方法进行了分析和评述。详细的介绍了三相谐波检测方法，瞬时无功功率检测方法，然后对设计的谐波检测方法用MATLAB/SIMUL-

INK进行仿真，对仿真的结果进行分析，通过分析表明该方法的实效性和方案可行性。

关键词：谐波检测 傅利叶变换理论 瞬时无功功率理论 MAT

LAB模型仿真 治理

1 概述

在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压，但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率（在我国取工业用电频率50Hz为基波频率）整数倍的正弦分量又称为高次谐波。在供电系统中产生谐波根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称为非线性负荷）供电的结果。这些非线性负荷在工作中时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。因此，谐波是电力质量的重要指标之一。

2 谐波源

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在发电环节中对发电机的接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。

谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备。①具有铁磁饱和特性的铁芯设备如：变压器、电抗器等。②以具有强烈非线性特性的电弧现象的设备如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。③以电力电子元件为基础的电源的设备如：各种电力交流设备（整流器、逆变器、变频器）、相控调速和调压设备，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气化铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。

3 谐波危害

①谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。②谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。③谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。④谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。⑤谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。⑥谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。⑦谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。⑧谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。

4 电力系统谐波测量的主要方法

4.1 基于瞬时无功功率检测方法 三相瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文于1983年首先提出的，此后经不断研究逐渐得到了完善。ip-iq法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网的检测；基于同步旋转Park变换的d-q法，不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测，而且也适用于不对称、有畸变的电网检测。

4.2 基于傅立叶变换的谐波测量 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，是一种高效的电力系统谐波的检测方法。

5 电力系统谐波治理

5.1 整流电路的多重化 为消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波，整流电路的多重化，即将多个方波叠加，该方法一般只用于大容量场合，重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂。

5.2 尽量选用高功率因数的整流器 用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器，采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法。

5.3 增加整流变压器二次侧整流的相数 该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑，可以较好地消除低次特征谐波，对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数。

参考文献：

[1]栗时平，郑小平，金维宇.电力系统谐波检测方法及其实现技术的发展[J]，电气开关，2004，42（1）：33-38.

[2]电能质量-公用电网谐波GB/T14549-1993[J].

[3]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.

[4]陈伟华.电磁兼容实用手册.北京：机械工业出版社，1998.

[5]孙树勤，林海雪.干扰性负荷的供电.中国电力出版社，1996.

[6]江水，张桌，张金波.电力系统的谐波及其测量技术.河海大学常州分校学报，2005.3.

[7]马安仁，党存禄，任瑞军.基于FPGA和瞬时无功功率理论的谐波检测方法[J].微计算机信息，2006.

[8]夏道止等.高压直流输电系统的谐波分析及滤波.北京：水利电力出版社，1994.

[9]吴小明，谢小竹，彭彬.MATLAB电力系统设计与分析.国防工业出版社，2004：301-340.

[10]林海雪.电力网中的谐波.中国电力出版社，1998：201-250.

[11]George J.Wakileh.电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计.机械工业出版社，2003：109-200.