浅谈电网谐波的产生和检测技巧

涂迎新

中海石油技术检测有限公司天津300452

摘要：随着大量电力器件的引用，电力系统中的谐波干扰愈发严峻，谐波现象会导致了电能质量的降低，同时对电网的安全和正常运行也起着很大的阻碍作用。因此，对电网谐波进行高精度的检测，减少谐波的危害，必须准确的检测出各次谐波的分量。本文基于浅谈电网谐波的产生和检测技巧展开论述。

关键词：电网谐波；产生；检测技巧

中图分类号：TM930文献标识码：A

引言

谐波是一种动态数据，有效的谐波检测方法对于准备进行谐波治理至关重要。谐波检测的准确性，是开展各项工作的前提及后续进展的主要理论基础，无论从原理还是实际均能证明：谐波的检测方法影响着谐波测量的精准度，还同样影响着动态响应速度。

1谐波电网模型

电力系统中，电力谐波是频率为整数倍的正弦波电压或电流，当频率为50Hz的正弦波波形称为基波频率。当基波和谐波叠加形成的波形称为畸变，频率为基波频率的2n被为偶次谐波，而频率为基波频率2n+1倍谐波为奇数次谐波，而且奇数次谐波比偶数次谐波危害更大。因此在实际工程中大多数谐波也为奇次谐波，因此本文主要针对奇数次谐波分析，建立谐波电压信号模型如式(1)表达式为：

式中，第一项代表频率为50Hz幅值为100V的电压信号，第二项到第四项分别为第3，5，7次谐波幅值分别为40V，30V，20V，采样频率为10240Hz，如图1所示。为了分析噪声在谐波中的影响，对如图1所示的电压信号加入30dB的高斯白噪声，对未优化谐波信号进行FFT频谱分析不能够对未知信号整周期的采集，从而造成频谱泄露和栅栏效应间接影响了谐波的频率、幅值等参数的测量。因此为了有效的优化谐波信号，本文提出了一种改进电网谐波优化检测算法。

2电网中谐波的分析方法

电网中谐波的分析方法和技术检测是全方位分析电网中电子电力系统谐波问题，像电子电网中电子电力系统谐波的检测、电子电力系统谐波源的分析、电子电力系统谐波的抑制、电子电力系统畸变波形的分析等，而电子电力系统谐波的检测是一个很重要方面。

但随机性、非平稳性、分布性等多方面因素可能造成电子电力系统的谐波，假如要实现精确即时的电子电力系统谐波的检测不是一件非常简单的事情，所以，随着全世界交流电力系统的飞速进步，多种谐波检测方法也雨后春笋般涌现出来，像基于傅氏变换的频域分析法、模拟滤波检测法、基于瞬时无功功率理论的检测方法等。模拟滤波法和频域分析法都是基于频域理论，是最初期的谐波干扰检测方法。模拟滤波检测法，完成该检测的电路结构和原理都比较简单，虽然能利用电路滤除一些固有F的谐波信号，便于实际操作控制，但是误差不少，实时性不够好，对外界环境也能造成比较大的影响，造成检测效果在参数变化时严重下降。因为频域分析法是由采集到的一个T的I值（或U值）进行计算，得到这个I所含的谐波次数以和各次谐波的F、W系数，利用傅里叶变换器把需要抵消的谐波分量，再利用输出的该误差信号经过傅里叶进行反变换，这就是补偿信号。因而输出的精度相对较高，使用的信号比较方便，可是相对计算量不少，检测的时间也相对增加，因此利用从方法检测结果实时性的也下降，所以大部分在谐波的离线分析中应用。模拟滤波器方法和基于傅氏变换的频域分析法存在一定的不足，也不能满足现代电力系统对谐波检测要求，一般不会去优先选用这2种方法，大部分选用快速傅里叶变换及其改进算法。

3常规谐波检测技术

3.1低通滤波谐波检测法

根据谐波频率的特殊性，人们最早想到的是通过低能滤波器来检测谐波的存在，由于传统的模拟低通滤波器在实现上十分简单，因而一度成为主要的谐波检测方法。但滤波器的中心频率通常难以控制，外界变化很容易对其造成干扰，因而很难取得较好的幅频和相频特性，检测精度很难达到要求，因而目前已基本不用。

3.2基于Fourier变换的谐波检测法

利用快速Fourier变换的理论，计算获取各次谐波分量的幅值、频率以及初始相位。当测量时间为整数倍的波形周期，且系统频率大于奈奎斯特频率时，采用该方法进行检测，具有精度高、易操作及实现多功能化。实际中，在高次谐波检测及波形频谱分析等方面均有很好的推广和使用，其缺点在于对计算量的需求很大，所以在实时检测方面的效果不是很好。而且对于系统中出现的非整数次谐波，这类谐波在检测过程往往存在栅栏现象或者频谱泄漏等问题，致使分析结果各次谐波的幅值、相位和频率存在偏差。

3.3神经网络谐波检测法

神经网络是当前比较前沿的信号处理方法，其应用还处于初步探索阶段，但从原理上看，神经网络在谐波检测中的应用具有很好的前景。根据当前一些学者的研究成果，该方法已在谐波检测领域取得了部分应用，例如自适应检测和多层前馈法。其中自适应谐波检测采用了神经网络算法的线性特性以及随机噪声相消的思路，而多层前馈法则进一步发挥了神经网络的反馈原理。但主要的发展瓶颈在于神经网络的构造方面还没有统一的标准，随意性强、计算量大、实时性差，因而未得到广泛应用。

3.4基于自适应对消原理的谐波检测法

以自适应对消原理为基础的谐波检测方法，目前其相关的研究范围越来越广阔和深入。一方面研究人员可以通过计算机，运用软件编程进行仿真分析；另一方面可以通过硬件搭建电路来试验。优点在于自适应能力很强，能比较精确地跟踪检测，而且测量的精度也较高，但是存在动态响应时间较长的缺点。

4相关措施

为保证并网逆变器稳定可靠运行，实现逆变器与电网高效率的能效传输，（1）设计了一种能够滤除多次谐波和直流电压成分的新型正交信号发生器，并确定了相关参数。（2）提出一种抑制电网多次谐波和直流电压的新型锁相环，并分析了该锁相环的工作原理。（3）在Matlab/Simulink平台中对其锁频锁相效果进行仿真验证，仿真结果表明：在电网含有谐波和直流电压时，新型锁相环通过新型正交信号发生器在dq信号正负序解耦前滤除信号多次谐波和直流成分，从而为解耦双同步参考坐标系锁相环提供稳定的αβ信号，准确对电网电压锁频锁相，且锁相效果比解耦双同步参考坐标系锁相环和添加传统正交信号发生器的解耦双同步参考坐标系锁相环好，能够提高光伏并网逆变器抗谐波抗直流干扰的能力。

结束语

随着科技的发展和人们生活水平的提高，诸如风力发电、生物质发电、太阳能发电等新能源的并网，以及微波炉、电弧炉非线性设备的普遍应用，都会带来大量的谐波成分，给电力系统造成了严重的干扰。目前普遍认可，谐波是频率为基波频率的整数倍的周期性正弦波分量，但电网中的谐波成分十分复杂，通常包含大量非整数次谐波，甚至还含有低于工频的次谐波。对于电网而言，在某些情况下，任何的用电设备都可能产生谐波成分。谐波的产生无论是对于电网本身还是用电设备，都将产生严重的危害。因此，如何检测电网谐波并对其进行净化，对于保证电力系统的高质量供电具有重要的现实意义。

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