淺談基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法

李浩，李卓然

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司，天津300000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300000）

淺談基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法

李浩1，李卓然2

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司，天津300000；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津300000）

理想情況下，電源以恒定頻率向電網(wǎng)供電，電網(wǎng)中的電壓和電流都是具有相同頻率的正弦量。但隨著無功補(bǔ)償裝置、變流裝置及非線性負(fù)載的不斷增多，諧波的影響越來越大。諧波污染作為三大“電力公害”之一，使波形出現(xiàn)畸變，在非正弦波的情況下，傳統(tǒng)的功率理論不再試用。目前基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法是諧波檢測(cè)中使用較為普遍、計(jì)算較為簡(jiǎn)單的一種，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過研究提出了很多基于該理論的檢測(cè)方法。就基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行了論述。

諧波；諧波檢測(cè)；瞬時(shí)無功功率理論

引言

傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)都是按照正弦波形運(yùn)行原理設(shè)計(jì)的。在理想情況下，電力系統(tǒng)中的電壓與電流都是頻率恒定不變的正弦量，兩者除相位與幅值不同外，沒有其他的差異。電網(wǎng)公司的目標(biāo)就是努力為用戶提供可靠、清潔的基頻正弦波功率，在此種功率下，用戶設(shè)備可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)產(chǎn)生損害。但諧波的存在使波形出現(xiàn)畸變，帶來大量的問題[1]。

1 諧波的危害

諧波自電力系統(tǒng)建成就一直存在，但在初期由于含量較小，其影響也相對(duì)較小。隨著無功補(bǔ)償裝置、變流裝置及非線性負(fù)載的不斷增多，電力系統(tǒng)中的諧波含量也不斷增加，其所帶來的不良影響也愈加嚴(yán)重[2]。

電力系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中存在某些非線性負(fù)荷特性的設(shè)備，流過這類設(shè)備的電流與所加的電壓不成正比。當(dāng)系統(tǒng)向這些設(shè)備供電時(shí),它們除了消耗系統(tǒng)所提供的基波電能外，又將部分基波轉(zhuǎn)換為告辭諧波，并向系統(tǒng)倒送，使系統(tǒng)中的波形畸變，電能質(zhì)量降低。電力系統(tǒng)中的主要諧波源有鐵磁飽和型、電子開關(guān)型及電弧型三大類。

諧波可以產(chǎn)生諸多不良影響，如它可能會(huì)引起設(shè)備過熱、振動(dòng)、噪聲，導(dǎo)致設(shè)備絕緣層老化、脫落，設(shè)備使用壽命減少，在電力系統(tǒng)局部引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，進(jìn)一步放大諧波含量，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。此外，諧波可能會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置拒動(dòng)或誤作，使得系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置不能正確動(dòng)作隔離故障，系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性受到嚴(yán)重破壞。在系統(tǒng)外部，諧波還會(huì)干擾通信設(shè)備，影響設(shè)備的正常通信。諧波的這些危害使得消除諧波變得尤為重要，而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量電力系統(tǒng)中的諧波就是消除諧波的基礎(chǔ)[3]。

2 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法

諧波使正弦波形出現(xiàn)畸變，在這種情況下傳統(tǒng)的功率定義并不適用。為解決這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究及仿真建模分析，目前用于諧波檢測(cè)的方法主要包括快速傅里葉變換及其改進(jìn)方法、基于自適應(yīng)理論的算法、基于小波變化理論的算法等，但傅里葉方法諧波檢測(cè)精度不高而小波理論方法算法較為復(fù)雜[4]。

在三相電力系統(tǒng)中，電力電子裝置及非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波最為普遍，而這些諧波一般以電流性諧波表現(xiàn)出來，所以在研究中普遍將電流性諧波作為研究對(duì)象。赤木泰文等通過研究率先提出了瞬時(shí)無功功率理論，并在此基礎(chǔ)上提出了p-q法及ip-iq法這兩種諧波電流的檢測(cè)方法，通過上述方法可以實(shí)時(shí)分離出各次諧波用于諧波分析，具有實(shí)時(shí)性好、精確度高、理論成熟和概念清晰等特點(diǎn)，是目前有源濾波器中應(yīng)用最為普遍的諧波電流檢測(cè)方法。

上述算法在三相電壓波形對(duì)稱且無畸變時(shí),具有諧波電流檢測(cè)回路簡(jiǎn)單、延時(shí)短的優(yōu)點(diǎn)，雖然由于諧波電流的構(gòu)成及檢測(cè)電路中所使用的濾波器不盡相同，存在一定的延時(shí)，但該延時(shí)最多不會(huì)超過一個(gè)周期。其缺點(diǎn)是所需硬件較多，成本較高。且上述方法是以三相三線制電路為基礎(chǔ)的，對(duì)于單相電路，需先對(duì)三相電路分解，然后構(gòu)建出單相電路的諧波檢測(cè)電路。另外，需特別注明的是對(duì)于三相四線制電路p-q法并不適用。

三相三線制與三相四線制系統(tǒng)的不同主要在于諧波電流中是否含有零序分量，三相三線制系統(tǒng)的諧波電流中只含有各次正序分量和零序分量，而三相四線制系統(tǒng)的諧波電流中除各次正序分量和零序分量外，還可能含有零序分量。馬惠等通過公式推導(dǎo)得出通過ip-iq法在對(duì)電流進(jìn)行3/2相變換時(shí)，Ia、Ib和Ic中諧波電流的零序分量可以相互抵消，并通過建模仿真驗(yàn)證了在三相四線制系統(tǒng)諧波電流中的零序分量并不影響ip-iq法的應(yīng)用[5]。

何英杰等提出了用一種變步長(zhǎng)最小均方自適應(yīng)濾波器為低通濾波器的數(shù)字化實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，通過仿真發(fā)現(xiàn)，該方法解決了傳統(tǒng)檢測(cè)算法所存在的檢測(cè)精度與響應(yīng)速度之間的矛盾，為有源濾波器的實(shí)時(shí)電流補(bǔ)償提供了保障。該方法不僅適用于三相對(duì)稱非線性負(fù)載，對(duì)三相不對(duì)稱非線性負(fù)載也有很好的檢測(cè)效果。劉繼權(quán)等運(yùn)用瞬時(shí)無功功率理論，先通過無鎖相環(huán)ip-iq法檢測(cè)基波電壓，然后運(yùn)用所檢測(cè)出的基波電壓，利用p-q法進(jìn)行計(jì)算，精確檢測(cè)所需的基頻有功電流、無功電流和各次諧波電流的。在傳統(tǒng)ip-iq算法的基礎(chǔ)上，王子跡等將Park變換運(yùn)用在諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)中鎖相環(huán)的鑒相部分，該方法不通過電壓直接計(jì)算諧波，消除了傳統(tǒng)方法中由于電壓畸變、不對(duì)稱和電壓采集所帶來的檢測(cè)誤差，且鑒相環(huán)節(jié)和Park變換相結(jié)合，提高了運(yùn)算效率與響應(yīng)速度，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間[6]。

近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在瞬時(shí)無功功率理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量拓展研究，提出了廣義瞬時(shí)無功功率理論，并以該理論為基礎(chǔ)提出了新的諧波檢測(cè)方法，現(xiàn)已在工程實(shí)踐中得到初步應(yīng)用。楊懷仁等通過對(duì)諧波電流的廣義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化，將諧波電流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞣至浚偈褂玫屯V波器進(jìn)行坐標(biāo)反變換，最后將直流分量變?yōu)樗璧奶囟ù蔚闹C波電流。這種方法簡(jiǎn)單靈活，只通過修改矩陣就可以得出三相三線制系統(tǒng)中的任意次諧波的正序、負(fù)序分量，通過疊加就可以得到所需的諧波量。

3 結(jié)語

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)特別是電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，接入電力系統(tǒng)的諧波源不斷增加。而另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力用戶對(duì)電力供應(yīng)的要求逐漸由供電的連續(xù)性向電能的優(yōu)質(zhì)性轉(zhuǎn)變，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。諧波污染作為三大“電力公害”之一嚴(yán)重影響電能質(zhì)量，因此必須受到更多的關(guān)注，瞬時(shí)無功功率理論、廣義瞬時(shí)無功功率理論為準(zhǔn)確檢測(cè)、消除諧波奠定了理論基礎(chǔ)，而通過中外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的理論仍存在一定的局限性，需進(jìn)行完善改進(jìn)，研究新的檢測(cè)方法，以滿足未來的實(shí)際需要。

[1]馬惠,劉靜芳.基于瞬時(shí)無功功率理論的三相電路諧波、無功和不平衡電流檢測(cè)[J].四川電力技術(shù),2004(4):4-7.

[2]何英杰,劉進(jìn)軍,王兆安,等.一種基于瞬時(shí)無功功率理論的數(shù)字諧波檢測(cè)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010(8):185-192.

[3]劉繼權(quán),張茂松.基于瞬時(shí)無功功率理論的新型諧波檢測(cè)法[J].電測(cè)與儀表,2012(10):29-32;51.

[4]王子績(jī),孟鑫,張彥兵,等.基于瞬時(shí)無功功率理論的新型諧波檢測(cè)算法[J].電測(cè)與儀表,2012(4):9-13.

[5]楊懷仁,陳隆道,賴曉瀚.基于廣義瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)[J].機(jī)電工程,2014(1):105-108;128.

[6]羅德凌,唐朝暉.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2006,4(25):4-6.

（編輯：王紅霖）

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，山東肥城人，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)調(diào)度控制。