配网谐波监测与补偿抑制研究

曾朝阳

摘 要：在电路传输中，配网谐波监测与补偿抑制是重要的研究内容，做好配网谐波监测与补偿抑制，是提高电力传输质量的关键。在对负载结构的研究分析中发现，由于频炉的特性，相桥式整流电路产生的谐波次数为6k±1（k为正整数）特定次谐波，在过去的模拟电路信号采集中无法直接分离特定次谐波分量，直至数字信号处理技术的发展和傅里叶算法的提出才使之成为可能。据此对DFT和FFT进行了分析，并将改进后的FFT算法应用于配电网监测。

关键词：谐波 有源滤波器 检测 补偿 抑制研究

中图分类号：TM5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0001-02

1 谐波的来源、危害及补偿技术

1.1 谐波的来源

社会经济推动社会需求，社会需求推动科技发展，科技发展应用于生产生活，与电力相关的电子设备大量的应用，导致了大量的谐波污染，降低了电网系统中的电能质量。谐波的产生从根本上来说就是能量转换不完全、不稳定导致的，按电能输送阶段不同可由以下3个原因产生。

（1）在输送端电源侧，由于发电电源自身三相绕组的构造或其他原因导致的，三相绕组不存在绝对的平衡，造成电能初始就夹杂谐波分量；新能源的利用，采用分布式电源接入配电网带入谐波分量。

（2）电源输送中，为了减少电能损耗，采用升压方式从电源侧升压降压过程中经过变压器线圈能量转换时产生。

（3）配电网负载侧，非线性负载的使用产生大量的谐波：重工业生产中采用大量的高能耗电弧炉、变频调压装置；高速发展的电气化铁路采用的单相交流整流动力的车体；在居民家用电器中，大量使用的电冰箱、变频式空调、智能式自动洗衣机、微波炉、电烤箱等等。

1.2 谐波的危害

电网系统谐波的存在，严重降低了电能质量，影响生活生产对电力的使用。其危害主要有以下几个方面。

（1）谐波对电力输送造成的危害。

利用集肤效应节省线路材料、降低电能损耗的原理来进行电能输送。当线路中存在大量的谐波时，会产生多余的有功损耗。相比较基波电流，虽然谐波分量只占了少量，但是由于集肤效应，频率越高，谐波分量越靠近线路表层，造成谐波电阻高于基波电阻，因此谐波所引起的额外线损也不可忽视。

（2）谐波对电网数据监控的影响。

目前电能计量逐步采用智能电表，谐波将会造成保护装置的误动或者拒动，并使测量分析仪表和电能计量出现较大误差，不利于实时采分析数据。

（3）谐波对电机和变压器的危害。

电机与变压器其主要构成部分是铜制线圈及铁芯，谐波在能量转换中是多余的存在，造成变压器附加损耗，增加设备的运行压力，影响设备内部稳定。高次谐波经过电机与变压器时，会引起设备的局部过热，产生严重的噪声，当设备长时间处于高次谐波运行状态下，将加速设备的老化，降低其绝缘性，影响设备的使用寿命，出现不可预知的事故。

（4）谐波对通信系统的干扰。

为了实时监测及控制电网系统，当前的网架建设对于电力通信系统的精密性有很高的要求。电流附近存在电磁场，若通信线路与线路中的谐波分量产生了能量联系，将会造成通信信号畸变，伴随严重的噪声；目前配电网中10kV线路，村庄居民通信线路同杆架设，配电网中的谐波分量会干扰通信信号，产生噪声，严重时使信号失真或丢失，使得居民通信系统无法正常工作。

1.3 谐波抑制补偿技术

（1）主动型谐波抑制技术：主动型谐波抑制技术针对谐波源，改变其构造，从根源减少谐波的产生。在主动型谐波抑制技术上的应用，虽然还不能将谐波完全消除，但是在某些领域已经得到尝试，并取得了成功。例如在重型工业领域，整流器大量使用平滑波形达到减少谐波的目的；三相整流变压器则采用改变内部接线的方式（Δ/Y或者Y/Δ的接线），直接消除3的整数倍次谐波；采用PWM脉冲调制方式，在所需的频率周期内，将交流电压按照等幅不等宽的原则转化为直流输出来实现抑制谐波的目的。

（2）被动型谐波抑制技术：被动型谐波抑制技术分为有源滤波与无缘滤波技术，当前这两种技术都普遍被采用，主流趋势是采用效果更好的有源滤波技术。无缘滤波主要是利用电容电感原件的谐振特性来达到消除谐波的效果，这种技术实现起来硬件结构简单，投资相应较少，谐波理论研究初期主要采用该方式，这种方式受硬件约束，固定不变，不能很好的随电网实际动态来消除谐波，在谐波与硬件系统发生谐振时容易烧毁设备，造成事故；有源滤波硬件结构较为复杂，在数字控制技术、导体控制材料技术与电子芯片的飞速发展中，结合软件驱动，很好的达到了动态消除谐波的目的。这种滤波方式结合不同的控制及检测算法能达到很好的效果，其补偿效果精确、有效，缺点就是成本高。

2 配电网中谐波监测

2.1 特定次谐波的监测及傅里叶算法原理

傅里叶检测算法的前提条件：信号能以连续形式呈现出来并能由检测系统捕捉采集到，无论波形如何都可以分解为不同频率数个正弦波的叠加信号。傅里叶算法实质上就是将这些不同频率的叠加信号根据正弦波特性拆分出来，以频率为序将正弦波重新排列，更加直观的看出频率、幅值及相位。

传统傅里叶检测算法的基本原理：在信号采集电路中，设定固定频率的脉冲控制采集周期，将采集到的模拟信号离散化处理为数字量，将检测到的数字量信号进行傅立叶变换，根据傅里叶定义表示各次谐波的频率、相位及幅值。

2.1.1 FFT检测法的数学基础

将离散傅里叶（DFT）原理应用在信号分析中，具有重大的意义。在研究分析过程中，傅里叶算法可以实现对信号在频域范围内频谱的估计和观察分析，为信号后续处理做出重要的基础。对于多点的信号检测，傅里叶（DFT）算法缺陷十分明显，每增加一个采样点，计算量将会多2N+2次复数乘法和2N-2次负数加法；换种解释，计算N个点，需要N2复数乘法以及N2-N次复数加法。在采样计算少数点的情况下，无多大影响；在采样点增加到一定数值的时候，计算量会几何倍数增长，对于芯片运算能力要求更高，且使得检测结果由于时效性变得无意义。endprint

2.1.2 FFT的物理特性

在进行物理研究时，波形基本以正弦波为基础单位，它相对简单且组合特性较强。

（1）信号分析特性分析：离散形式的傅立叶的物理系统内，由于频率不变的性质，系统对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响应来获取。

（2）运算：在微分中就运算中基本函数为正弦基函数，可以将线性微分方程的运算过程转换为常系数的代数方程的求解。

（3）算法特性：傅立叶变换是线性算子，在特定情况下还是酉算子。

（4）正反运算的关系：傅立叶变换的逆变换容易求出，而且形式与正变换非常类似。

2.2 基于快速傅立叶变换（FFT）的谐波检测法

根据对检测结果要求的不同可以分别以精确性或者实时性为主，来采用相应的检测算法。若对后续谐波需进行补偿，或者进行特定研究，大致分为两种：针对特定次谐波研究分析或者进行补偿和补偿所有谐波。前者在运算中在算出谐波后，根据需要进行筛选分析，设备补偿使用中，补偿效果更确定；后者作为一种全补偿形式需要傻瓜式运算，控制可控半导体进行逆变补偿，缩短了设备使用的寿命。

前者主要采用FFT算法进行分析研究，电网中电流信号具有周期性，满足FFT运算前提条件；后者主要采用瞬时无功功率算法进行运算分析，方便与补偿控制理论组合进行谐波补偿。两种算法进行简单比较，可以发现：瞬时无功功率算法在总的补偿过程中精确度和实时性更加平均；FFT算法更具针对性，直接显示各次谐波的具体数值（幅值、相位和频率），例如低压配网中的三次谐波，大量的三次谐波足以烧断中性线；电气化铁路中，采用特定次谐波对设备进行故障识别等等，FFT检测算法不可缺少。

2.3 FFT改进算法

栅栏效应，也称栅栏现象，电流信号的连续模拟量可以看做按一定时序的无数数字量组成，在采集周期频率确定的情况下，有可能造成采集的数值是不需要的或者没有采集到实际需要分析的数字量。简单地说，就像有障碍物遮挡视线，失去观察视角，看不见特定的景象。频域中直接采样，栅栏效应更加明显，甚至造成电流信号的失真，使检测结果变得没有意义。因此FFT检测算法先在时域中进行采样，再转为频域分析来减少栅栏效应的影响。

弄清楚了栅栏效应的概念，很容易想到最基本的解决方法：提高采样频率，即分辨力，最大程度上减少关键采样点的遗漏。但是这种思路，同时增加了计算工作量。如何平衡解决栅栏效应和计算量的矛盾，是FFT检测算法的关键之一。

3 配电网谐波补偿控制

3.1 基于瞬时无功功率谐波检测法

有源滤波器中检测环节较多的采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，这种检测方法细分为两种：ip-iq法和p-q法。主思路都是在简化计算量上采用坐标转换法，将三相电压坐标值经过转换变为两相a、β坐标，简化了谐波的计算，该理论已经在三相电路检测电流中得到了应用与证明。

3.2 控制方法

当APF有源滤波器检测电路，以ip-iq法检测得到谐波电流后，控制APF补偿电流发生电路，实时、准确的跟踪补偿电流指令信号，控制可控半导体开断，逆变得到补偿谐波。检测环节已经进行仿真研究，这里控制环节由APF输出补偿电流的控制和APF直流母线的控制组成。

补偿电流的控制：根据检测到的谐波电流信号，采用特定的比较处理方式，跟踪谐波电流信号，得到补偿电流的PWM指令信号。实时控制逆变电路中可控半导体的通断产生反相、幅值相位一致的补偿电流信号。目前研究的控制方式主要有：滞环比较控制方式、无差拍控制方式、重复控制、三角波控制方式、空间矢量控制方式、滑模控制方式、人工神经网络控制等。本章主要在补偿控制环节主要采用三角载波控制比较方法。

（1）三角载波控制方法，三角载波控制：瞬时线性脉冲比较的控制方法。先将采集检测到的电流实际信号与理论电流值进行做差得到误差控制信号，再与设定的高频三角载波信号进行实时比较，以交汇点处得到脉冲信号控制逆变电路可控半导体的控制信号，把△ic控制在最小范围内是这种控制算法的核心思路。

（2）直流侧电压的稳定控制原理，直流侧电压控制也是有源滤波器关键技术之一，直流侧电压不加以控制，长时间运行会导致直流侧电压不稳定，可能造成半导体控制开关功率器件或者直流侧电容升温、损坏，直流侧电压是产生补偿谐波电流的电源基础，为使逆变器正常工作，达到补偿器所要求的补偿效果，必须使直流侧电容电压维持足够高以保证补偿器在没有输出补偿电流时各桥臂二极管的反向偏置，在进行动态补偿的任何瞬间能根据参考电流输出所需的补偿电流。有源滤波器要稳定的运行，必须要保证直流侧电压的稳定。

（3）PI仿真分析，依据上述理论分析，对直流侧PI闭环控制进行仿真分析，仿真参数如下：

①直流侧电源电容C取值为3000 μF，直流侧电压设定值为800 V；

②网侧电压Us取值为220 V；

③网侧交流电路连接电感取值为2.5mH，APF的等效阻抗为0.3 Ω；

④有源滤波器实际直流侧电压，控制直流侧电压在限定范围内，ΔUdc通过PI后形成IP，设IP=KpΔUdc，当ΔUdc=10 V时，IP=10Kp。

3.3 APF整体仿真实验研究

为了验证文中提出的电流控制方法的正确性和可行性，在仿真软件matlab环境下对该方法进行了仿真试验。

仿真系统器件的仿真参数为：

（1）系统检测环节采样频率为9.6 KHz；

（2）电源电压380 V，工频50 Hz，系统总电阻为0.6 Ω，不计电抗；

（3）非线性负载：三相不控整流桥带电阻负载，Rd=24 Ω；

（4）直流母线电压设定值为1200 V，滤波电感为3 mH。

4 结语

该文围绕着电力有源滤波器的一些关键技术包括谐波电流检测、电流跟踪控制、直流侧电压控制、主电路参数选择等问题展开了研究和讨论。针对目前电力有源滤波器有待完善一些关键技术和存在的一些问题，指出了有源滤波器将来的发展趋势。对电力有源滤波器在补偿过程中所有环节从理论进行了详细的研究分析，主要包括：瞬时无功功率检测法、三角载波控制法以及直流侧PI电压稳定法。以谐波补偿抑制为目的，这里检测阶段采用瞬时无功功率检测法进行检测，与补偿控制算法相配合，得到精确度与实时性能更好的补偿效果，给出了仿真结果。讨论了功率器件、驱动模块的选择，然后设计了硬件保护电路。最后论述了基于TMS320F2812平台的控制部分的实现。通过实验，验证了该文所设计的有源滤波器在谐波抑制方面的有效性。

参考文献

[1] IEEE Std 519-1992，IEEE recommended practices and requirements for harmonic control in electric power system[S].1993.

[2] 徐政译.电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] 吴竟昌，孙树勤，宋文南.电力系统谐波[M].北京：水利出版社，1988.

[5] 祈晓牧.大功率整流装置产生的谐波对电力系统的影响[J].重庆工学院学报：自然科学版，2003，17（6）：27-28.endprint