有源電力濾波器的諧波檢測最新方法分析

1、有源電力濾波器的諧波檢測最新方法分析*王一軍 吳偉標 于晶榮 粟梅(中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410083摘要：文章論述了電力系統(tǒng)中有源電力濾波器的諧波問題，分析了產(chǎn)生諧波的原因。同時，針對目前最新研究諧波檢測成果，分析了自適應(yīng)對消諧波檢測，F(xiàn)BD(Fryze-Buchholz Dpenbrock 法諧波檢測，小波變換等方法的最新進展，為實現(xiàn)有源濾波器的諧波檢測提供的參考依據(jù)，最后對諧波檢測方法發(fā)展趨勢進行了展望。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波檢測；FBD 法；小波變換 中圖分類號：TM7 文獻標識碼：AThe Latest Analysis of Harmonic Detect

2、ionMethod for Active Power FilterWANG Yi-jun ,WU Wei-biao , YU Jing-rong ,SU Mei(School of Information Science and Engineering ,central south university ,Changsha 410083, chinaAbstract:In this paper,discussing the active power filter(APF power system harmonics problems, and analyzing the reason why

3、create harmonic. Meanwhile, according to the latest research for the current harmonic detection results, proposing the adaptive cancellation harmonic detection, FBD (Fryze-Buchholz-Dpenbrock harmonic detection method, wavelet transform methods.This paper is used for relization of APF conditioners th

4、at can provide the reference materials.At last, predicting the prospect trend of harmonic detection methods.Key words: active power filter; harmonic detection; FBD method; wavelet transform*收稿日期：2011-9-29作者簡介：王一軍（1963-），男，東北人，教授，研究方向：系統(tǒng)工程。吳偉標（1988-），男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：電能質(zhì)量控制技術(shù)（Email ：wuweibiao.27）。1

5、引言21世紀能源和環(huán)境問題將會成為人類發(fā)展面臨的極為重要問題，如何保證可持續(xù)發(fā)展情況下，為人類提供安全，穩(wěn)定，優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟的電能，是電力系統(tǒng)面臨的主要問題。我國是快速發(fā)展的國家，對能源的需求是非常大的，尤其是在未來的幾十年，我國電力系統(tǒng)每年需要新增發(fā)電裝機容量達2500萬kw 以上，更要完成“西電東送，南北互濟，全國聯(lián)網(wǎng)，廠網(wǎng)分開”的具有很先進管理水平的現(xiàn)代化全國大電力系統(tǒng)1。然而，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多一些新的非線性設(shè)備，比如逆變器，變頻器和開關(guān)電源等，給人們帶來便利的同時也導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)了諧波。尤其是當大量使用電力電子設(shè)備，由于應(yīng)用的范圍非常廣泛，諧波帶來的危害也就越來越嚴重

6、。諧波造成的危害常見有產(chǎn)生附加功率損耗，發(fā)熱（發(fā)電機，電動機），電網(wǎng)過負荷，過電壓，繼電保護誤操作及干擾其他設(shè)備等2。因此，諧波電流和無功補償?shù)闹卫韱栴}是國際上最為關(guān)心的問題，本論文中，綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻，重點講述了諧波電流的檢測方法，分析對比之間的優(yōu)缺點，并對未來諧波檢測方法進行 了展望。2 諧波問題分析“諧波”最早起源于聲學(xué)的領(lǐng)域，指的是弦或空氣以一定的頻率振動，這個頻率是基波的整數(shù)倍1。實際上，諧波在日常生活中是電網(wǎng)工頻50Hz 的整數(shù)倍，即：f h =n*50，比如3次諧波，則諧波頻率f 3為150Hz 。對于在無源電路中，積分，微分電路不易產(chǎn)生諧波，但關(guān)鍵是如果是很有非線性的設(shè)備，顯

7、然會造成波形的嚴重畸變，這也是造成諧波的主要原因。諧波源的分類有：具體而言，電網(wǎng)中的諧波源主要有分兩類，一種是含有半導(dǎo)體非線性的電力電子設(shè)備；另外一種是 含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備2。a. 電力電子設(shè)備。如電氣化鐵道，電力機車為單相整流負荷因此產(chǎn)生諧波，同時由于牽引變壓器三相電流不平衡，故基波負序大，而牽引負荷具有波動性大和沿線分布廣的特點，所以其諧波干擾的影響面較大。特別是各種相控裝置，如相控整流器、相控交流調(diào)壓電路及交-交變頻器等。b. 工業(yè)含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備。由于工作時電極處于短路狀態(tài)，不但消耗大量的無功功率，且由于電弧不穩(wěn)定，會產(chǎn)生大量的諧波電流，其諧波頻譜不規(guī)則，幾乎是連續(xù)頻譜。

8、比如電力變壓器，變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性引起的，對于常用的三相變壓器來說，其勵磁電流中諧波的大小和鐵芯結(jié)構(gòu)、飽和程度、變壓器聯(lián)結(jié) 方式都密切相關(guān)。另外，造成諧波的直接原因是設(shè)備設(shè)計思想的改變1。過去傾向于采用在額定情況以下工作的設(shè)汁，然而，在當今的市場競爭下，電工設(shè)備傾向于采用征臨界情況下的設(shè)計，這樣導(dǎo)致了很多設(shè)備工作達到了極限，即沒有在安全工作區(qū)區(qū)域，系統(tǒng)趨于非線 性，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波。3 諧波檢測的最新方法分析為了解決諧波問題，很多學(xué)者提出了諧波檢測的方法，主要分為時域諧波檢測方法和頻率諧波檢測方法兩種，時域諧波檢測方法常見的有模擬濾波器法，pq 法，i p -i q 法

9、等；頻率諧波檢測方法常見的有FFT 快速傅里葉變換諧波檢測法等。本文重點介紹自適應(yīng)干擾對消原理，F(xiàn)BD 法，小波變換法等最新 諧波檢測方法進展。3.1基于自適應(yīng)干擾對消原理的諧波檢測法該方法利用信號處理的自適應(yīng)干擾對消原理，將電壓作為參考輸入，負載電流作為原始輸入，從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，從而得到所有諧波與無功電流之和3。按此原理構(gòu)成的檢測系統(tǒng)是一個閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故其運行特性與元件參數(shù)幾乎無關(guān)，對器件特性的依賴性也不大。當電網(wǎng)電壓發(fā)生波形畸變以及頻率波動時，檢測系統(tǒng)仍能正常工作，具有良好的自適應(yīng)能力，但動態(tài)響應(yīng)速度較慢。由于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和電流自適應(yīng)的能力，因此

10、人們將智能控制理論應(yīng)用到無功和 諧波電流檢測上。 圖1 傳統(tǒng)的自適應(yīng)諧波檢測方法如上圖1所示，是一種典型的自適應(yīng)算法，得到該結(jié)構(gòu)圖的傳遞函數(shù)為:02222( ( /( /(G s I s I s s w s ks w =+ （1）根據(jù)（1）式分析得到幅頻函數(shù)為： 221( ( A w w w =（2） 上式中k 為積分常量，由（2）式分析當k 取很小的時候，檢測精度就高，但是動態(tài)響應(yīng)特性差，當k 取得很大的時候，檢測精度雖然低，但是動態(tài)響應(yīng)特性好。要指出的是，若人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與信號處理中的自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)相結(jié)合，效果將更好。文獻4提出的一種多重因子自適應(yīng)諧波檢測法，以自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)為基

11、礎(chǔ)，通過引入動態(tài)因子。不但加快了動態(tài)響應(yīng)速度，而且減小了低信噪比情況下的穩(wěn)態(tài)失調(diào)，增強了算法對畸變電流的抗干擾性。文獻5提出為了減少因為定步長自適應(yīng)算法值的選擇對濾波效果的影響程度,減少諧波穩(wěn)態(tài)分析的誤差,提高跟蹤響應(yīng)的速度,并驗證基于改進自適應(yīng)算法濾波器的有效性和優(yōu)越性。文獻6提出了一種基于自適應(yīng)對消技術(shù)的修正遺忘因子RLS 諧波電流檢測算法，該算法從研究權(quán)值收斂方式出發(fā)，通過設(shè)置閾值來判斷突變，使得檢測過程既有較快的動態(tài)響應(yīng)又有較高的檢測精度?？梢?，自適應(yīng)對消原理的最主要在于濾波的響 應(yīng)速度及收斂程度問題展開。 3.2 基于FBD 法的諧波檢測方法 FBD法的基本思路是：把實際電路中的負載

12、等效為理想電導(dǎo)元件，認為電路中的功率都消耗在這個等效電導(dǎo)上，而沒有能量的損失7。FBD檢測算法中沒有復(fù)雜的矩陣變換，可以更加快速地進行電流實時檢測，尤其是在系統(tǒng)電壓畸變的情況下檢測出三相電流的基波正序有功、正序無功電流分量， 不對稱和諧波電流分量。 圖2基于FBD 法電流檢測的原理圖 在電力系統(tǒng)的諧波檢測中，利用FBD 法首先是根據(jù)等效電導(dǎo)與基波正序電流關(guān)系，經(jīng)過數(shù)學(xué)運算后得到線性有功功率電流i Lp ，當參考信號相位之后90o，同理可以得到線性無功功率i Lq ，傳統(tǒng)的電流檢測如圖2所示。圖2中輸入是三相負載電流i La ,i Lb ,i Lc ,參考電壓輸入為e a ,虛線以上檢測的是基波

13、正序有功電流，虛線以下部分是經(jīng)過PLL 及移相后得到的基波正序無功電流。文獻8提出的有源電力濾波器（APF）檢測方法，指出重要的問題能夠準確和迅速檢測諧波電流或無功電流，故提出一種與廣義積分調(diào)節(jié)器相結(jié)合改進的FBD 方法，該方法的檢測算法實現(xiàn)簡單，且廣義積分是用來提取電網(wǎng)電壓的正序基波電壓，可避免FBD諧波檢測方法引起電壓波形的失真。文獻9指出FBD 方法并沒有復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和逆變，它可以用來檢測單相，三相三線和三相四線制系統(tǒng)諧波電流。但FBD 中的方法需要一個低通濾波器提取的直流電流，它會導(dǎo)致延遲和相移的問題，要解決這些問題，該文獻提出了一個實時的滑動窗口提取的直流電流，而不是低通濾波器。3.3

14、基于小波變換的諧波檢測法小波變換是將信號與一個時域和頻域均具有局部化性質(zhì)的平移伸縮小波基函數(shù)進行卷積，將信號分解成位于不同頻帶一時段上的各個成分10。小波分析的諧波檢測法是時域分析的重要工具，它克服了傅立葉分析在頻域完全局部化而在時域完全無局部化的缺點，尤其適合突變信號的分析與處理。它在頻域和時域同時具有局部性，因而能算出某一特定時間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解成不同頻率的信號塊。但還存在著許多不完善的地方，例如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最佳小基波的選取方法，缺乏構(gòu)造頻域行為良好，即分頻嚴格、能量集中的小波函數(shù)以改善檢測精度的規(guī)范方法。文獻11提出了第二代小波算法（也稱為提升算法）是一種新

15、的的諧波檢測方法，基于第一代小波算法分解成有限的步驟，并在時間或空間域的小波變換，可直接通過提升小波算法完成，可以減少計算。另外，該文獻提到小波濾波器在諧波檢測中的應(yīng)用，是實現(xiàn)諧波信號的頻域FFT 特征。與第一代小波變換算法比較計算復(fù)雜度大大降低，運行時間也很快。文獻12分析分別提出基于Mallat 算法、小波包變換、連續(xù)小波變換和復(fù)小波變換的諧波檢測方法在電能質(zhì)量檢測分析上的應(yīng)用，提出了小波變換混疊現(xiàn)象的處理方法，即在正交小波中加入一個補償環(huán)節(jié)，將諧波信號分解成不同頻帶的子頻帶信號，再利用連續(xù)小波變換對非零子頻帶信號進行小波分析，由此提取出諧波的信息(頻率、幅值、相角，得到相應(yīng)的頻譜。該方法

16、能有效地消除小波混疊現(xiàn)象，并且能精確地提取諧波分量的信息。 4 諧波檢測方法的發(fā)展趨勢針對第三部分提出的幾種檢測方法，其實還有其他一些方法，本論文針對性的研究其中幾種。諧波檢測其實依然還要面臨的難點問題，許多方法還需深入研究，因為這些方法均未針對分數(shù)次或瞬態(tài)的分數(shù)次諧波的問題，只有合理的處理這些問題，才能可 能達到清潔能源的目的。隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展以及電能質(zhì)量的要求逐漸提高，對現(xiàn)有的方法遠遠不能滿足，必須對諧波檢測方法及其實現(xiàn)技術(shù)提出了更高的要求。因此，筆者展望未來有以 下幾點：a.面對復(fù)雜環(huán)境，未來的諧波源越來越多，尤其是分布式電源的不斷應(yīng)用，供電公司也加入了諧波源的行列，另外，國家提倡

17、綠色能源，比如光能，風(fēng)能，天然氣及氫燃料等均有可能產(chǎn)生諧波加入到供電公司。這樣一來，諧波的檢測算法趨于復(fù)雜化，尤其是當檢測諧波的對象是非穩(wěn)態(tài)型的，而這些都需用到智能算法解決；b.算法復(fù)雜提高后，數(shù)字化的實現(xiàn)這些算法將會大量用到高速處理芯片，比如DSP，ARM 等，尤其是在20世紀90式年代，DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代DSP 器件，這些集成芯片處理速度超過了1GHz，為實現(xiàn)算法提供了很好的解決方案；c.對以前諧波理論要更新，要轉(zhuǎn)向為更為通用的諧波理論，使之更加完善。因為傳統(tǒng)的諧波理論很少涉及到不同次諧波之間產(chǎn)生的畸變功率問題以及非穩(wěn)態(tài)諧波問題，已經(jīng)不能完全適應(yīng)電力系統(tǒng)復(fù)雜化的客觀實

18、際，探索適用于復(fù)雜化系統(tǒng)的通用諧波理論以及新的諧波評定方法，不僅是諧波理論自身發(fā)展的需要，更是解決電力系統(tǒng)諧波問 題的客觀需求。5 結(jié)束語總結(jié)本論文所談到的問題，主要是從電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波角度出發(fā)，簡要介紹產(chǎn)生諧波原因，總結(jié)出了最新的一些檢測諧波的方法，重點論述了自適應(yīng)對消原理，F(xiàn)BD 法及小波變換法進行諧波檢測。預(yù)測未來的諧波檢測都必將會朝著復(fù)雜化、智能化的信息處理，高精度、高可靠性性能的方向發(fā)展，只有這樣，未來的能源問題才能真正的可持續(xù)發(fā)展。參考文獻1 姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè). 電力系統(tǒng)并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社.2004,8：1-20. 2于晶榮. 低壓配電網(wǎng)有源

19、電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究D.湖南大學(xué)博士學(xué)位論文,2009.3Luo Shiguo.Hou Zhencheng. An adaptive detecting method for harmonic and reactive currentJ. IEEE Trans on Industrial Eleactronics.1995,42(1:85-89.4王俊杰，姚鋼，鄭益慧，王昕. 有源電力濾波器多重因子自適應(yīng)諧波檢測法J.電力電子技術(shù),2011,45（1）:45-47 5李敏，張聰，袁欣. 基于改進自適應(yīng)諧波檢測濾波器設(shè)計與仿真J.電力科學(xué)與工程,2011, 27(2：36-40.6劉國海, 呂

20、漢聞等. 基于修正遺忘因子RLS 算法的諧波電流檢測新方法J.電工技術(shù)學(xué)報，2010,25(1:172-177.7Rong Fei,Yu Jingrong, Luo An.Reference Current Computation Method Based on Adaptive Low-Pass Filter for Active Power Filter C.Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA, 2010 International Conference on ,996 - 999.8Zhou Juan,Wang Ziji,Fu Xiao.Study on the Improved Harmonic Detection Algorithm Based on FBD TheoryC. Power and Energy E