浅谈基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法

李浩，李卓然

（1.国网天津市电力公司城南供电分公司，天津300000；2.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津300000）

浅谈基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法

李浩1，李卓然2

（1.国网天津市电力公司城南供电分公司，天津300000；2.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津300000）

理想情况下，电源以恒定频率向电网供电，电网中的电压和电流都是具有相同频率的正弦量。但随着无功补偿装置、变流装置及非线性负载的不断增多，谐波的影响越来越大。谐波污染作为三大“电力公害”之一，使波形出现畸变，在非正弦波的情况下，传统的功率理论不再试用。目前基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法是谐波检测中使用较为普遍、计算较为简单的一种，国内外学者通过研究提出了很多基于该理论的检测方法。就基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法进行了论述。

谐波；谐波检测；瞬时无功功率理论

引言

传统的供电系统都是按照正弦波形运行原理设计的。在理想情况下，电力系统中的电压与电流都是频率恒定不变的正弦量，两者除相位与幅值不同外，没有其他的差异。电网公司的目标就是努力为用户提供可靠、清洁的基频正弦波功率，在此种功率下，用户设备可以正常运转不会产生损害。但谐波的存在使波形出现畸变，带来大量的问题[1]。

1 谐波的危害

谐波自电力系统建成就一直存在，但在初期由于含量较小，其影响也相对较小。随着无功补偿装置、变流装置及非线性负载的不断增多，电力系统中的谐波含量也不断增加，其所带来的不良影响也愈加严重[2]。

电力系统中出现谐波主要是因为系统中存在某些非线性负荷特性的设备，流过这类设备的电流与所加的电压不成正比。当系统向这些设备供电时,它们除了消耗系统所提供的基波电能外，又将部分基波转换为告辞谐波，并向系统倒送，使系统中的波形畸变，电能质量降低。电力系统中的主要谐波源有铁磁饱和型、电子开关型及电弧型三大类。

谐波可以产生诸多不良影响，如它可能会引起设备过热、振动、噪声，导致设备绝缘层老化、脱落，设备使用寿命减少，在电力系统局部引发并联或串联谐振，进一步放大谐波含量，甚至导致设备损坏。此外，谐波可能会导致继电保护及安全自动装置拒动或误作，使得系统发生故障时，保护装置不能正确动作隔离故障，系统的安全性和稳定性受到严重破坏。在系统外部，谐波还会干扰通信设备，影响设备的正常通信。谐波的这些危害使得消除谐波变得尤为重要，而实时准确地测量电力系统中的谐波就是消除谐波的基础[3]。

2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法

谐波使正弦波形出现畸变，在这种情况下传统的功率定义并不适用。为解决这一问题，国内外学者进行了大量的研究及仿真建模分析，目前用于谐波检测的方法主要包括快速傅里叶变换及其改进方法、基于自适应理论的算法、基于小波变化理论的算法等，但傅里叶方法谐波检测精度不高而小波理论方法算法较为复杂[4]。

在三相电力系统中，电力电子装置及非线性负荷所产生的谐波最为普遍，而这些谐波一般以电流性谐波表现出来，所以在研究中普遍将电流性谐波作为研究对象。赤木泰文等通过研究率先提出了瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了p-q法及ip-iq法这两种谐波电流的检测方法，通过上述方法可以实时分离出各次谐波用于谐波分析，具有实时性好、精确度高、理论成熟和概念清晰等特点，是目前有源滤波器中应用最为普遍的谐波电流检测方法。

上述算法在三相电压波形对称且无畸变时,具有谐波电流检测回路简单、延时短的优点，虽然由于谐波电流的构成及检测电路中所使用的滤波器不尽相同，存在一定的延时，但该延时最多不会超过一个周期。其缺点是所需硬件较多，成本较高。且上述方法是以三相三线制电路为基础的，对于单相电路，需先对三相电路分解，然后构建出单相电路的谐波检测电路。另外，需特别注明的是对于三相四线制电路p-q法并不适用。

三相三线制与三相四线制系统的不同主要在于谐波电流中是否含有零序分量，三相三线制系统的谐波电流中只含有各次正序分量和零序分量，而三相四线制系统的谐波电流中除各次正序分量和零序分量外，还可能含有零序分量。马惠等通过公式推导得出通过ip-iq法在对电流进行3/2相变换时，Ia、Ib和Ic中谐波电流的零序分量可以相互抵消，并通过建模仿真验证了在三相四线制系统谐波电流中的零序分量并不影响ip-iq法的应用[5]。

何英杰等提出了用一种变步长最小均方自适应滤波器为低通滤波器的数字化实时检测方法，通过仿真发现，该方法解决了传统检测算法所存在的检测精度与响应速度之间的矛盾，为有源滤波器的实时电流补偿提供了保障。该方法不仅适用于三相对称非线性负载，对三相不对称非线性负载也有很好的检测效果。刘继权等运用瞬时无功功率理论，先通过无锁相环ip-iq法检测基波电压，然后运用所检测出的基波电压，利用p-q法进行计算，精确检测所需的基频有功电流、无功电流和各次谐波电流的。在传统ip-iq算法的基础上，王子迹等将Park变换运用在谐波检测环节中锁相环的鉴相部分，该方法不通过电压直接计算谐波，消除了传统方法中由于电压畸变、不对称和电压采集所带来的检测误差，且鉴相环节和Park变换相结合，提高了运算效率与响应速度，节省了计算时间[6]。

近年来，国内外许多学者在瞬时无功功率理论的基础上进行了大量拓展研究，提出了广义瞬时无功功率理论，并以该理论为基础提出了新的谐波检测方法，现已在工程实践中得到初步应用。杨怀仁等通过对谐波电流的广义旋转坐标变化，将谐波电流转变为直流分量，再使用低通滤波器进行坐标反变换，最后将直流分量变为所需的特定次的谐波电流。这种方法简单灵活，只通过修改矩阵就可以得出三相三线制系统中的任意次谐波的正序、负序分量，通过叠加就可以得到所需的谐波量。

3 结语

随着现代科学技术特别是电力电子技术的迅猛发展，接入电力系统的谐波源不断增加。而另一方面，随着经济的发展，电力用户对电力供应的要求逐渐由供电的连续性向电能的优质性转变，对电能质量的要求越来越高。谐波污染作为三大“电力公害”之一严重影响电能质量，因此必须受到更多的关注，瞬时无功功率理论、广义瞬时无功功率理论为准确检测、消除谐波奠定了理论基础，而通过中外学者的研究发现现行的理论仍存在一定的局限性，需进行完善改进，研究新的检测方法，以满足未来的实际需要。

[1]马惠,刘静芳.基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波、无功和不平衡电流检测[J].四川电力技术,2004(4):4-7.

[2]何英杰,刘进军,王兆安,等.一种基于瞬时无功功率理论的数字谐波检测[J].电工技术学报,2010(8):185-192.

[3]刘继权,张茂松.基于瞬时无功功率理论的新型谐波检测法[J].电测与仪表,2012(10):29-32;51.

[4]王子绩,孟鑫,张彦兵,等.基于瞬时无功功率理论的新型谐波检测算法[J].电测与仪表,2012(4):9-13.

[5]杨怀仁,陈隆道,赖晓瀚.基于广义瞬时无功功率理论的谐波电流检测[J].机电工程,2014(1):105-108;128.

[6]罗德凌,唐朝晖.电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展[J].国外电子测量技术，2006,4(25):4-6.

（编辑：王红霖）

Harmonic Current Detection M ethod Based on Instantaneous Reactive Power Theory

Li Hao,Li Zhuoran
(1.The South City Power Supply Company of State Grid Tianjin Electric Power Company, Tianjin 300000;2.Econom ic and Technical Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Com pany,Tianjin 300000)

Ideally,thepowersuppliestogrid ataconstantfrequency,and thevoltageand currentingrid aresinusoidalwith thesame frequency. However,with the increaseof reactive power compensation devices,converterdevicesand nonlinear loads,the influence ofharmonics ismore andmoregreat.Asoneof the three“powerpollution”,harmonic pollutionmakes waveform distorted.In the case ofnon-sinusoidalwave,the traditionalpower theorycannotbeapplied.Atpresent,theharmonicdetectionmethod basedon instantaneousreactivepower theory isacommon harmonicdetectionwith asimplecalculation.Through research domesticand foreign scholarsputforwardmanydetectionmethodsbased on this theory.Theharmonic currentdetectionmethod based on instantaneousreactivepowertheory isdiscussed in thispaper.

harmonic；harmonic detection；instantaneous reactive power theory

TM 933

A

2095-0748(2016)23-0073-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.23.34

2016-10-25

李浩（1990—），男，山东肥城人，助理工程师，研究方向：电力系统调度控制。