基于廣義諧波理論的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)方法

田志丹，李友才，陸 荃

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004）

0 引言

在智能電網(wǎng)大力發(fā)展趨勢(shì)下，電力電子器件在電力系統(tǒng)中的運(yùn)用愈來(lái)愈普遍，但是這對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行造成了巨大的損害，電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越凸顯。在工業(yè)方面造成了生產(chǎn)率不高、收益低的不利形勢(shì)。對(duì)于用戶(hù)側(cè)，用電質(zhì)量明顯降低，嚴(yán)峻地影響正常生活。所以，電能質(zhì)量擾動(dòng)治理成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究中的重點(diǎn)課題。

1 電能質(zhì)量擾動(dòng)的危害

電能質(zhì)量擾動(dòng)（Voltage Quality disturbance）指實(shí)際電壓和電流與其理想的電壓、電流之間的差異[1]。通常來(lái)說(shuō)，電能質(zhì)量擾動(dòng)可以分為有效值偏差、電壓暫變、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡與諧波等。電能質(zhì)量擾動(dòng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)及其用戶(hù)造成很多危害。

1.1 對(duì)電力系統(tǒng)的危害

電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)：計(jì)量?jī)x表偏差、變壓器使用時(shí)間變短、線損加大、繼保與自動(dòng)裝置發(fā)生誤動(dòng)作等[3]。

（1）線損增加。由于諧波而產(chǎn)生的諧波電流注入輸電線路時(shí)，因?yàn)榫€路阻抗的緣故，勢(shì)必會(huì)使線路的損耗增加，出現(xiàn)附加消耗。由于集膚效應(yīng)的影響，并且當(dāng)發(fā)生諧波時(shí)，相對(duì)應(yīng)的諧波阻抗將隨頻率而變化，都將使得阻抗增大。特別是當(dāng)出現(xiàn)諧振或者紋波變大時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波使得諧波電流在線路流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的線損尤為突出。

（2）一次運(yùn)行設(shè)備壽命降低。由于變壓器鐵耗與電壓有關(guān)，當(dāng)諧波注入變壓器時(shí)，產(chǎn)生的諧波電壓勢(shì)必導(dǎo)致渦流損耗與磁滯損耗的加劇，變壓器絕緣材料承受電氣應(yīng)力增大。而此時(shí)出現(xiàn)諧波電流又將危害變壓器銅耗，使得變壓器容易產(chǎn)生振蕩。特別是當(dāng)繞組為三角形連接時(shí)，諧波產(chǎn)生的零序電流無(wú)法流入大地，導(dǎo)致變壓器繞組產(chǎn)生環(huán)流，這將使繞組嚴(yán)重發(fā)熱，減少變壓器的使用壽命。

（3）計(jì)量?jī)x表誤差。通常記錄電能使用情況的電度表根據(jù)基波和諧波產(chǎn)生的電能來(lái)進(jìn)行計(jì)量。然而，當(dāng)有諧波產(chǎn)生時(shí)，這類(lèi)感應(yīng)式儀表由于對(duì)其具有頻率誤差，將無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量由于諧波消耗而產(chǎn)生的電能。這將損害用戶(hù)，因?yàn)橹C波不僅降低了供電質(zhì)量，而且還會(huì)使其電費(fèi)增加。

（4）繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。諧波的存在會(huì)使電壓電流等電氣量指標(biāo)受損，當(dāng)其含量較高時(shí)，這些指標(biāo)的變化將更加明顯，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的拒動(dòng)或者誤動(dòng)。例如，電流導(dǎo)致的過(guò)電流或電壓升高導(dǎo)致的過(guò)電壓保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)三相嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)或者諧波的正負(fù)序分量占比較大時(shí)，也將導(dǎo)致某些元件啟動(dòng)，從而對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾。

1.2 對(duì)電力用戶(hù)產(chǎn)生的危害

電能質(zhì)量擾動(dòng)對(duì)電力用戶(hù)產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在對(duì)各種電力設(shè)備的正常運(yùn)行 以及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的質(zhì)量影響等[3]。

（1）對(duì)電力設(shè)備的影響。電能質(zhì)量不合格，將導(dǎo)致生產(chǎn)生活使用的電機(jī)出現(xiàn)很大噪聲、繞組發(fā)熱厲害，嚴(yán)重情形將出現(xiàn)電機(jī)振動(dòng)和損壞電機(jī)。當(dāng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生三相電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)，按照對(duì)稱(chēng)分量法則，電機(jī)的定子繞組中將產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，從而形成旋轉(zhuǎn)的負(fù)序磁場(chǎng)，而此時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)形成制動(dòng)作用，極大的降低了電機(jī)的過(guò)載能力，甚至?xí)龎亩ㄗ永@組。

（2）對(duì)用戶(hù)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量影響。因?yàn)殡娔苜|(zhì)量不合格，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備頻繁的停機(jī)和工作異常，在很多對(duì)電能要求嚴(yán)格的地方將出現(xiàn)產(chǎn)品不合格，會(huì)給用戶(hù)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

（3）對(duì)與電能有關(guān)行業(yè)的影響。

1）對(duì)通信的干擾

在電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，通常也伴隨著電信網(wǎng)的架設(shè)，很多情況下甚至出現(xiàn)同桿鋪設(shè)，使得他們之間的電氣距離更短。正常的工頻電作用時(shí)，由于其頻率較低，對(duì)通信幾乎沒(méi)有任何影響，然而因?yàn)橹C波的存在，尤其是當(dāng)含有高次諧波的情況下，高頻率的諧波信號(hào)將會(huì)經(jīng)由電磁感應(yīng)對(duì)通信線路產(chǎn)生聲頻干擾，其發(fā)射很多雜音，對(duì)通信的影響將可見(jiàn)一斑。

2）對(duì)其他行業(yè)的干擾。

電能質(zhì)量污染，主要通過(guò)直接向用戶(hù)注入諧波電源，在很多精密儀器制造業(yè)，不合格的電能質(zhì)量不僅增加了產(chǎn)品的報(bào)廢率，也對(duì)設(shè)備進(jìn)行損壞，產(chǎn)生巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失；由于高次諧波的存在，其電感應(yīng)會(huì)對(duì)廣播、有線電視信號(hào)產(chǎn)生干擾。

1.3 電能質(zhì)量擾動(dòng)的治理方法

對(duì)電能質(zhì)量重要性有了如此清晰的認(rèn)識(shí)，故而確保電能質(zhì)量將是我們無(wú)法逃避的話題。其中抑制電能質(zhì)量的擾動(dòng)將是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行重要保障，也是電能質(zhì)量治理的重要因素。而諧波作為其中的一種主要污染源，尤其是高次諧波、諧波產(chǎn)生的負(fù)序和零序分量以及無(wú)功功率不平衡等問(wèn)題正在日益對(duì)我們的高質(zhì)量電能提出巨大挑戰(zhàn)，為確保電能質(zhì)量合格，針對(duì)諧波進(jìn)行治理將首當(dāng)其沖。如今廣泛使用的治理手段如下[4]：

（1）有源濾波器

為了能較好地對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償以及確保消除諧波而出現(xiàn)有源濾波器。針對(duì)諧波頻率與幅值變化的不確定性以及無(wú)功電流充分發(fā)揮其補(bǔ)償速度快、控制方式靈活特點(diǎn)，相對(duì)無(wú)源濾波器而言具備更加優(yōu)良的效果，是一種近于理想的補(bǔ)償諧波的電力電子裝置。在具有優(yōu)異補(bǔ)償效果的同時(shí)，也兼具受系統(tǒng)影響較小的特性，能夠準(zhǔn)確快速的隨電網(wǎng)頻率的變化做出調(diào)整，而且不易同系統(tǒng)發(fā)生諧振。

（2）并聯(lián)有源濾波器

當(dāng)負(fù)載有諧波電流注入電網(wǎng)時(shí)，可以采用并聯(lián)有源濾波器。因?yàn)榇藭r(shí)它將相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，根據(jù)負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流實(shí)時(shí)的補(bǔ)償與其電流幅值大小相等但方向相反的電流，用來(lái)與負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流相互補(bǔ)償，最終達(dá)到消除諧波的目的。但該裝置將承受基波電壓，從而需要較高的成本，在高壓系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償中較少涉及。

（3）串聯(lián)有源濾波器

并聯(lián)有源濾波器相當(dāng)于受控電流源，同理串聯(lián)有源濾波器在系統(tǒng)中將起到受控電壓源的作用。不僅能有效的抑制電網(wǎng)中的諧波電壓，在改善電壓閃變以及波動(dòng)等問(wèn)題上也相當(dāng)合理。與并聯(lián)有源濾波器一樣裝置容量小，卻具有較高的運(yùn)行效率，但其工作環(huán)境復(fù)雜，通常需要承受較大電壓從而在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮絕緣性能，同時(shí)也會(huì)造成大量的功率損耗。當(dāng)線路發(fā)生故障或其他極端情況時(shí)，無(wú)法及時(shí)提供相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償和其他補(bǔ)償措施，且變壓器與負(fù)載相連將承受全部的基波電流，在實(shí)際使用中受到很大程度的限制。

（4）統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

通常產(chǎn)生的諧波所包含成分復(fù)雜。往往采用單獨(dú)一種補(bǔ)償手段效果不佳，因而將上述所說(shuō)的串聯(lián)型有源濾波器與并聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行合理的組合，既可兼顧二者的優(yōu)點(diǎn)，又可大大提高諧波補(bǔ)償能力。將其進(jìn)行背靠背連接組成統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，不僅發(fā)揮了串、并聯(lián)濾波器對(duì)電壓型和電流型諧波良好的消納能力，對(duì)于電壓閃變和波動(dòng)也能進(jìn)行可靠治理，針對(duì)耦合點(diǎn)處產(chǎn)生的三相電壓不平衡，能實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，確保電網(wǎng)電壓保持在合理的范圍之內(nèi)，同時(shí)能有效地消除高次諧波。當(dāng)然，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器所提供的無(wú)功補(bǔ)償能力只能在確定的負(fù)載條件下進(jìn)行補(bǔ)償，如若負(fù)載發(fā)生變化，將無(wú)法跟蹤負(fù)載的變化而造成無(wú)功功率補(bǔ)償不足。因?yàn)槭莾煞N形式的組合，常常會(huì)導(dǎo)致單一工作模式，從而造成裝置的浪費(fèi)，此外，高昂的價(jià)格和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也限制了它的發(fā)展。

（5）組合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

除以上介紹的裝置以外，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置還有組合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，它由兩個(gè)變流器組成，通過(guò)對(duì)變流器進(jìn)行合理的協(xié)調(diào)控制從而改善電能質(zhì)量。根據(jù)控制方式的不同可分為協(xié)調(diào)控制與獨(dú)立控制方式。

1）協(xié)調(diào)控制：圖1所示即為協(xié)調(diào)控制方式，將組合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器進(jìn)行合理的控制，協(xié)同控制該裝置的串、并聯(lián)變流器，即能確保對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行電壓和電流型諧波的消除與補(bǔ)償。

2）獨(dú)立控制：圖2所示，將組合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串、并聯(lián)變流器進(jìn)行獨(dú)立的控制，充分發(fā)揮其各自的獨(dú)立功能，不僅能較好的消除解耦，也能很好的改善電能質(zhì)量。

圖2 獨(dú)立控制

2 基于廣義諧波理論的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)原理

三相電路的瞬時(shí)電壓ua、ub、uc與瞬時(shí)電流ia、ib、ic能采用平面上的旋轉(zhuǎn)電壓矢量uabc與旋轉(zhuǎn)電流矢量iabc表述，設(shè)定旋轉(zhuǎn)電壓矢量uabc=[uaubuc]T，旋轉(zhuǎn)電流矢量iabc=[iaibic]T，旋轉(zhuǎn)電壓矢量uabc和旋轉(zhuǎn)電流矢量iabc所在坐標(biāo)系是abc坐標(biāo)系。在圖3中，選用兩兩相位差為3π/2并相互對(duì)稱(chēng)的逆時(shí)針?lè)较虻腶、b、c三相來(lái)作為空間坐標(biāo)軸，借以電壓來(lái)舉例，在總功率不變的情況下，在平面上根據(jù)某一角速度逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量[7-9]，某一時(shí)刻三相電壓的瞬時(shí)值就是旋轉(zhuǎn)電壓矢量在三相軸上的投影。如果基波角頻率為ω，當(dāng)三相電壓對(duì)稱(chēng)同時(shí)為正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，u的模值恒定，大小等于相電壓幅值和考慮功率不變的系數(shù)的乘積，u的角速度一直保持在ω。若在某一時(shí)刻電壓變化，u會(huì)有瞬時(shí)變化，旋轉(zhuǎn)矢量u和i包含三相電路瞬時(shí)電壓、電流的全部信息，且u和i在空間上的超前（滯后）關(guān)系與各相電壓、電流在時(shí)間上的超前（滯后）關(guān)系相同，則三相電路功率可以直接用旋轉(zhuǎn)矢量u與i簡(jiǎn)化表達(dá)。

將三相待測(cè)量的空間矢量進(jìn)行線性變換，運(yùn)用矢量變換，使其轉(zhuǎn)換到空間坐標(biāo)系中，通過(guò)LPF濾除限定頻率的諧波量，剩下的就是直流矢量，再經(jīng)由反變換分離其中的工頻基波與廣義諧波。

圖3 三相電路電壓、電流的旋轉(zhuǎn)矢量示意圖

對(duì)于任意三相電路中的電壓、電流分量而言，電流電能質(zhì)量擾動(dòng)分量和工頻基波分量都含有交流的特征，使得電流電能質(zhì)量擾動(dòng)分解過(guò)程較為復(fù)雜。而事實(shí)上，三相電壓、電流可以運(yùn)用某一種正交線性變換，使其轉(zhuǎn)換為空間矢量，這樣就能夠?qū)⑵渥鳛橄嗷オ?dú)立直流矢量和交流矢量區(qū)分開(kāi)來(lái)，這種方法就大大簡(jiǎn)化了分離過(guò)程，廣義dqo正交變換正是具備此特點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果與分析

利用simulink仿真工具箱，構(gòu)造檢測(cè)仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置如下：電源采用三相對(duì)稱(chēng)交流正弦的電壓源，線電壓幅值：380 V，頻率：50 Hz；低通濾波器的截止頻率設(shè)定為15 Hz。

3.1 電流電能質(zhì)量擾動(dòng)（廣義諧波電流）檢測(cè)仿真

圖4為三相負(fù)載電流。

圖4 三相負(fù)載電流

仿真結(jié)果顯示，在三相對(duì)稱(chēng)電路中加入不對(duì)稱(chēng)阻抗后，電流諧波量激增，利用電流電能質(zhì)量擾動(dòng)（廣義諧波電流）檢測(cè)方法能有效將諧波電流分離。圖5為三相負(fù)載的電流電能質(zhì)量擾動(dòng)（廣義諧波電流）及頻譜分析。

圖5 電流電能質(zhì)量擾動(dòng)及頻譜分析

3.2 電壓電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)仿真

如圖6為三相負(fù)載電壓。

圖6 三相負(fù)載電壓

仿真結(jié)果顯示，在三相對(duì)稱(chēng)電路中加入不對(duì)稱(chēng)阻抗后，電壓諧波量激增，利用廣義諧波電壓檢測(cè)方法能有效將諧波電流分離。電壓電能質(zhì)量擾動(dòng)（廣義諧波電壓）及頻譜分析見(jiàn)圖7。

4 結(jié)論

本文從單相諧波理論出發(fā)，將諧波理論推廣至三相電路中，重點(diǎn)闡述了廣義dqo正交變換法電流及電壓諧波的檢測(cè)原理，同時(shí)，提出了一種基于廣義諧波理論和廣義dqo正交變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)算法。最后，在詳盡的理論分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建了檢測(cè)仿真模型，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，驗(yàn)證并表明了所提檢測(cè)算法的有效性。

圖7 廣義諧波電壓及頻譜分析

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