两种典型的谐波检测方法的比较

胡 敏

两种典型的谐波检测方法的比较

胡 敏

胡 敏 张海燕 奚思建

重庆科技学院，电气与信息工程学院

1 引言

谐波对电网的危害不容忽视，所以研究谐波检测的方法，检测出谐波并进行抑制，以达到电能稳定，提高电能使用效率至关重要。谐波检测的方法很多，最典型的就是基于傅立叶变换的谐波检测和基于瞬时无功功率理论的谐波检测。本文就这两种方法的基本思想、适用范围、各自的优缺点进行比较，并进行仿真分析验证各自优缺点。

在发电厂电力系统中，电力的生产、传输和输送以及各种非线性的电力设备都会产生谐波，谐波的存在会降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流经过中线时会使电路过热甚至发生火灾等等，为了避免这些情况的发生，检测出谐波并加以抑制至关重要。掌握电力系统中谐波的实际情况，对防止谐波危害，维护电力系统的安全运行意义重大。现在已经提出了很多单相电路谐波检测的方法，如多种有源电力滤波器单相电路谐波检测方法，基于三相瞬时无功和基于单相瞬时无功的谐波电流检测，直接计算法等。

在抑制谐波方面，大致的方向有两个：滤掉谐波，即用相关的带通滤波器先滤掉基波信号，然后将输入信号与滤波后的信号进行相减；对谐波进行补偿，即产生与谐波幅值相同，方向相反的电流信号，然后与谐波信号进行抵消。

2 两种典型谐波检测方法的基本思想

基于傅里叶变换的谐波检测

基本思想：通过对采样的电流信号进行FFT分析，可以得到电流中各次谐波分量，然后通过带通滤波器去掉要抵消的那些谐波分量，此方法要求信号具有周期性，而且实时性不强。

在此方法上提出了很多改进的方法：加窗函数；修正理想采样频率法；双峰谱线修正算法。对于非整数次的谐波存在频谱泄露和栅栏现象，而通过构建窗函数就可以大大减小频谱泄露，插值算法则可以消除栅栏现象。

基于瞬时无功功率检测的方法

基本思想：对输入信号进行变换把其中的基波分量转化为直流量，而其它的高频分量仍然为交流量，然后通过低通滤波器提取出包含基波分量的直流量，再进行反变换来得到基波分量。三相三线制电路都是运用的该方法。

瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测及补偿等问题，此理论有三种谐波检测的基本方法：p、q法、ip、iq法及d、q法。三种方法都能实时和准确地测量对称的三相三线制电路的总谐波值，都是通过测量谐波，对谐波进行分析后，设计相关的有源电力滤波器对谐波进行补偿的基本方法。其中ip、iq法适用范围相对较广，在电网电压畸变和电网电压不对称两种情况下都可以使用。而使用p、q法则有一定的局限性，此方法测量电网电压畸变时会存在较大的误差。d、q法法无法将有功分量和无功分量分开，所以实验的过程使用ip、iq法。

3 两种典型谐波检测方法的仿真比较

基于傅里叶变换的谐波检测

由于连续傅里叶变换不适合用于计算机上运算，离散的时域和频域才符合要求，所以在运动此方法时，要将信号进行离散化。参考文献所讲的方法，建立了仿真模型，电流信号采用 1次、5次、11次和13次谐波相加为信号源，用离散傅里叶变换得到5次谐波的幅值和相位，然后通过相关算法得到5次谐波，如果需要得到其他谐波，可以在离散傅里叶变换模块中改变相关参数即可。实验结果如图1所示。

图1 离散傅里叶变换实验结果图

结果图中上中下分别代表的是基波和谐波总量、傅里叶变换后的5次谐波分量、采样后的5次谐波分量，从实验结果不难看出，傅里叶变换的得到的谐波分量存在一定的延时，实时性较差。

基于瞬时无功的谐波检测

瞬时无功功率理论以瞬时有功功率和瞬时无功功率为定义基础，将三相转换为两相，经过相关运算后可以得到三相电流的有功和无功分量，最后再转换成三相即可。实验还是以1次、5次、11次和13次之和为信号源，最后得到的是5次谐波分量，实验结果如图2。

图2 基于瞬时无功功率的实验结果

从实验结果可以看出，瞬时无功功率检测也存在一定的延时。但是相比较傅里叶而言，实时性较强。

4 两个实验结果的比较分析

两个实验都是最后检测的5次谐波分量，从最后得到的5次谐波波形可以看出：傅里叶变换方法在一个采样周期内延时大于0.02s，并且检测到得谐波震荡而瞬时无功功率理论的检测方法延时只有0.01s，实时性明显比前者好。

5 结束语

基于傅里叶变换的谐波电流检测方法可以选择拟消除的谐波次数，即可以测出任意次谐波的值，但是具有较长的时间延迟，实时性较差，并且仅适用于稳定的信号，瞬时无功功率检测的方法实时性较好，延时也小，且适应于电网不对称和电压畸形的情况。谐波检测的方法还有很多，比如小波变换、神经网络等，在不断的实践过程中找出各自适合某种特定场合的方法，不断推动仪器仪表的发展，更好的提高电能质量。

综上所述，傅里叶变换是目前谐波测量仪器中广泛应用的基本理论依据；目前也有很多谐波检测的新方法，如神经网络理论和小波分析等，这些使用仍在研究中，对于改善电能质量有非常重要的意义。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.066