基于广义谐波理论的电能质量扰动检测方法

田志丹，李友才，陆 荃

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙410004）

0 引言

在智能电网大力发展趋势下，电力电子器件在电力系统中的运用愈来愈普遍，但是这对整个电网的运行造成了巨大的损害，电能质量问题越来越凸显。在工业方面造成了生产率不高、收益低的不利形势。对于用户侧，用电质量明显降低，严峻地影响正常生活。所以，电能质量扰动治理成为当前电力系统研究中的重点课题。

1 电能质量扰动的危害

电能质量扰动（Voltage Quality disturbance）指实际电压和电流与其理想的电压、电流之间的差异[1]。通常来说，电能质量扰动可以分为有效值偏差、电压暂变、电压波动与闪变、三相不平衡与谐波等。电能质量扰动会对电力系统及其用户造成很多危害。

1.1 对电力系统的危害

电能质量扰动对电力系统的危害主要表现：计量仪表偏差、变压器使用时间变短、线损加大、继保与自动装置发生误动作等[3]。

（1）线损增加。由于谐波而产生的谐波电流注入输电线路时，因为线路阻抗的缘故，势必会使线路的损耗增加，出现附加消耗。由于集肤效应的影响，并且当发生谐波时，相对应的谐波阻抗将随频率而变化，都将使得阻抗增大。特别是当出现谐振或者纹波变大时，系统产生的高次谐波使得谐波电流在线路流过时产生的线损尤为突出。

（2）一次运行设备寿命降低。由于变压器铁耗与电压有关，当谐波注入变压器时，产生的谐波电压势必导致涡流损耗与磁滞损耗的加剧，变压器绝缘材料承受电气应力增大。而此时出现谐波电流又将危害变压器铜耗，使得变压器容易产生振荡。特别是当绕组为三角形连接时，谐波产生的零序电流无法流入大地，导致变压器绕组产生环流，这将使绕组严重发热，减少变压器的使用寿命。

（3）计量仪表误差。通常记录电能使用情况的电度表根据基波和谐波产生的电能来进行计量。然而，当有谐波产生时，这类感应式仪表由于对其具有频率误差，将无法准确计量由于谐波消耗而产生的电能。这将损害用户，因为谐波不仅降低了供电质量，而且还会使其电费增加。

（4）继电保护装置的误动作。谐波的存在会使电压电流等电气量指标受损，当其含量较高时，这些指标的变化将更加明显，导致继电保护装置的拒动或者误动。例如，电流导致的过电流或电压升高导致的过电压保护。当出现三相严重不对称或者谐波的正负序分量占比较大时，也将导致某些元件启动，从而对保护装置产生干扰。

1.2 对电力用户产生的危害

电能质量扰动对电力用户产生的危害主要表现在对各种电力设备的正常运行 以及生产过程中产品的质量影响等[3]。

（1）对电力设备的影响。电能质量不合格，将导致生产生活使用的电机出现很大噪声、绕组发热厉害，严重情形将出现电机振动和损坏电机。当供电系统产生三相电压不对称时，按照对称分量法则，电机的定子绕组中将产生较大的负序电流，从而形成旋转的负序磁场，而此时产生的磁场与电机转动时的磁场形成制动作用，极大的降低了电机的过载能力，甚至会烧坏定子绕组。

（2）对用户生产的产品质量影响。因为电能质量不合格，导致生产设备频繁的停机和工作异常，在很多对电能要求严格的地方将出现产品不合格，会给用户造成重大经济损失。

（3）对与电能有关行业的影响。

1）对通信的干扰

在电网建设过程中，通常也伴随着电信网的架设，很多情况下甚至出现同杆铺设，使得他们之间的电气距离更短。正常的工频电作用时，由于其频率较低，对通信几乎没有任何影响，然而因为谐波的存在，尤其是当含有高次谐波的情况下，高频率的谐波信号将会经由电磁感应对通信线路产生声频干扰，其发射很多杂音，对通信的影响将可见一斑。

2）对其他行业的干扰。

电能质量污染，主要通过直接向用户注入谐波电源，在很多精密仪器制造业，不合格的电能质量不仅增加了产品的报废率，也对设备进行损坏，产生巨大的直接经济损失；由于高次谐波的存在，其电感应会对广播、有线电视信号产生干扰。

1.3 电能质量扰动的治理方法

对电能质量重要性有了如此清晰的认识，故而确保电能质量将是我们无法逃避的话题。其中抑制电能质量的扰动将是确保电力系统安全稳定运行重要保障，也是电能质量治理的重要因素。而谐波作为其中的一种主要污染源，尤其是高次谐波、谐波产生的负序和零序分量以及无功功率不平衡等问题正在日益对我们的高质量电能提出巨大挑战，为确保电能质量合格，针对谐波进行治理将首当其冲。如今广泛使用的治理手段如下[4]：

（1）有源滤波器

为了能较好地对无功进行补偿以及确保消除谐波而出现有源滤波器。针对谐波频率与幅值变化的不确定性以及无功电流充分发挥其补偿速度快、控制方式灵活特点，相对无源滤波器而言具备更加优良的效果，是一种近于理想的补偿谐波的电力电子装置。在具有优异补偿效果的同时，也兼具受系统影响较小的特性，能够准确快速的随电网频率的变化做出调整，而且不易同系统发生谐振。

（2）并联有源滤波器

当负载有谐波电流注入电网时，可以采用并联有源滤波器。因为此时它将相当于一个受控电流源，根据负载产生的谐波电流实时的补偿与其电流幅值大小相等但方向相反的电流，用来与负载产生的谐波电流相互补偿，最终达到消除谐波的目的。但该装置将承受基波电压，从而需要较高的成本，在高压系统的谐波补偿中较少涉及。

（3）串联有源滤波器

并联有源滤波器相当于受控电流源，同理串联有源滤波器在系统中将起到受控电压源的作用。不仅能有效的抑制电网中的谐波电压，在改善电压闪变以及波动等问题上也相当合理。与并联有源滤波器一样装置容量小，却具有较高的运行效率，但其工作环境复杂，通常需要承受较大电压从而在设计时要考虑绝缘性能，同时也会造成大量的功率损耗。当线路发生故障或其他极端情况时，无法及时提供相应的无功补偿和其他补偿措施，且变压器与负载相连将承受全部的基波电流，在实际使用中受到很大程度的限制。

（4）统一电能质量调节器

通常产生的谐波所包含成分复杂。往往采用单独一种补偿手段效果不佳，因而将上述所说的串联型有源滤波器与并联型有源滤波器进行合理的组合，既可兼顾二者的优点，又可大大提高谐波补偿能力。将其进行背靠背连接组成统一电能质量调节器，不仅发挥了串、并联滤波器对电压型和电流型谐波良好的消纳能力，对于电压闪变和波动也能进行可靠治理，针对耦合点处产生的三相电压不平衡，能实时进行动态无功补偿，确保电网电压保持在合理的范围之内，同时能有效地消除高次谐波。当然，统一电能质量调节器所提供的无功补偿能力只能在确定的负载条件下进行补偿，如若负载发生变化，将无法跟踪负载的变化而造成无功功率补偿不足。因为是两种形式的组合，常常会导致单一工作模式，从而造成装置的浪费，此外，高昂的价格和复杂的结构也限制了它的发展。

（5）组合电能质量调节器

除以上介绍的装置以外，对电能质量进行补偿的装置还有组合电能质量调节器，它由两个变流器组成，通过对变流器进行合理的协调控制从而改善电能质量。根据控制方式的不同可分为协调控制与独立控制方式。

1）协调控制：图1所示即为协调控制方式，将组合电能质量调节器进行合理的控制，协同控制该装置的串、并联变流器，即能确保对电网进行电压和电流型谐波的消除与补偿。

2）独立控制：图2所示，将组合电能质量调节器的串、并联变流器进行独立的控制，充分发挥其各自的独立功能，不仅能较好的消除解耦，也能很好的改善电能质量。

图2 独立控制

2 基于广义谐波理论的电能质量扰动检测原理

三相电路的瞬时电压ua、ub、uc与瞬时电流ia、ib、ic能采用平面上的旋转电压矢量uabc与旋转电流矢量iabc表述，设定旋转电压矢量uabc=[uaubuc]T，旋转电流矢量iabc=[iaibic]T，旋转电压矢量uabc和旋转电流矢量iabc所在坐标系是abc坐标系。在图3中，选用两两相位差为3π/2并相互对称的逆时针方向的a、b、c三相来作为空间坐标轴，借以电压来举例，在总功率不变的情况下，在平面上根据某一角速度逆时针方向旋转的旋转矢量[7-9]，某一时刻三相电压的瞬时值就是旋转电压矢量在三相轴上的投影。如果基波角频率为ω，当三相电压对称同时为正弦稳态时，u的模值恒定，大小等于相电压幅值和考虑功率不变的系数的乘积，u的角速度一直保持在ω。若在某一时刻电压变化，u会有瞬时变化，旋转矢量u和i包含三相电路瞬时电压、电流的全部信息，且u和i在空间上的超前（滞后）关系与各相电压、电流在时间上的超前（滞后）关系相同，则三相电路功率可以直接用旋转矢量u与i简化表达。

将三相待测量的空间矢量进行线性变换，运用矢量变换，使其转换到空间坐标系中，通过LPF滤除限定频率的谐波量，剩下的就是直流矢量，再经由反变换分离其中的工频基波与广义谐波。

图3 三相电路电压、电流的旋转矢量示意图

对于任意三相电路中的电压、电流分量而言，电流电能质量扰动分量和工频基波分量都含有交流的特征，使得电流电能质量扰动分解过程较为复杂。而事实上，三相电压、电流可以运用某一种正交线性变换，使其转换为空间矢量，这样就能够将其作为相互独立直流矢量和交流矢量区分开来，这种方法就大大简化了分离过程，广义dqo正交变换正是具备此特点。

3 仿真结果与分析

利用simulink仿真工具箱，构造检测仿真模型。仿真参数设置如下：电源采用三相对称交流正弦的电压源，线电压幅值：380 V，频率：50 Hz；低通滤波器的截止频率设定为15 Hz。

3.1 电流电能质量扰动（广义谐波电流）检测仿真

图4为三相负载电流。

图4 三相负载电流

仿真结果显示，在三相对称电路中加入不对称阻抗后，电流谐波量激增，利用电流电能质量扰动（广义谐波电流）检测方法能有效将谐波电流分离。图5为三相负载的电流电能质量扰动（广义谐波电流）及频谱分析。

图5 电流电能质量扰动及频谱分析

3.2 电压电能质量扰动检测仿真

如图6为三相负载电压。

图6 三相负载电压

仿真结果显示，在三相对称电路中加入不对称阻抗后，电压谐波量激增，利用广义谐波电压检测方法能有效将谐波电流分离。电压电能质量扰动（广义谐波电压）及频谱分析见图7。

4 结论

本文从单相谐波理论出发，将谐波理论推广至三相电路中，重点阐述了广义dqo正交变换法电流及电压谐波的检测原理，同时，提出了一种基于广义谐波理论和广义dqo正交变换的电能质量扰动检测算法。最后，在详尽的理论分析基础上，构建了检测仿真模型，经过对结果的分析，验证并表明了所提检测算法的有效性。

图7 广义谐波电压及频谱分析

参考文献：

[1]粟时平,刘桂英. 静止无功补偿技术[M]. 北京：中国电力出版社, 2006.

[2] Bird B M, Marsh J F, Mclellan P R. Harmonic reductio n in multiple converters by triple-frequency current injection [J].Proc IEE, 1969, 116(10): 1 730-1734.

[3]林海雪. 电能质量指标的完善化及其展望[J]. 中国电机工程学报 , 2014（29）:5 073-5079.

[4]姜齐荣，赵东元，陈建业. 有源电力滤波器-结构. 原理.控制[M]. 北京：科学出版社, 2005.

[5]罗安. 电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M]. 北京：中国电力出版社, 2006.

[6]陶顺,肖湘宁. 电力系统电能质量评估体系架构[J]. 电工技 术学报 ,2010（04）:171-175.

[7]刘进军，王兆安. 基于旋转空间矢量分析瞬时无功功率理论及其应用[J]. 电工技术学报, 1999, 14(1)：49-54.

[8]谢川,贺超,闫辉,等. 基于频率自适应广义积分控制器选择性谐波电流控制策略[J]. 电工技术学报, 2013（09）:65-72.

[9]薛蕙, 杨仁刚. 改进的瞬时无功和谐波电流检测理论[J].电力系统及其自动化学报, 2002, 14（2）： 8-11.