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1、电力谐波管理http:/ 一、谐波概念 在交流电网中，由于有许多非线性电气设备投入运行，基电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波是周期性电气量，根据傅里叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。非正弦波的电压或电流有效值等于基波和各次谐波电压或电流有效值和的平方根值。基波频率为电网频率（工频50赫兹）。谐波次数（n）是谐波频率与基波频率之比的整数倍。 另外，一些非线性用电设备，在交交变频交流调速中，除了基波整数倍频率的谐波外，在整数倍谐波的两侧不有其他频率的波形，称为旁频。 上述这些非基波频率的各次波，称为谐波。或者说非基波频率电压和电流
2、，均称为谐波电压和谐波电流。 二、谐波产生的原因 电力系统中谐波主要是冶金、化工、电气化铁路及其他行业的换流设备、非用电设备产生的。它们向公用电网注入谐波电流，在公用电网中产生谐波电压，这些用电设备称为谐波源。其中尤为严重的谐波源是硅整流、可控硅整流的换流设备和电弧炉、电焊机等非线性设备。 三、谐波的危害 大量的谐波电流流入电网，在电网阻抗下产生谐波压降，叠加到电网基波上，引起电网电压波形畸变。 随着硅整流、可控硅整流的换流设备、电弧炉、电焊机等各种非线性负荷的增加，大量的谐波电流流入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备、用户用电设备、用电计量、继电保护带来危害，成为污染电
3、网的公害。 谐波使电网中感性负载造成过电压、容性负载造成过电流，影响用电计量正确度，对安全运行带来危害。例如，使继电保护误动，引起避雷器、断路器爆炸等；干预电子设备，使计算机误动作，电子设备误触发；使通讯回路、弱电回路产生杂音，甚至造成故障。 为了保证电网的电压波形质量，国家对波形质量标准作出规定，要求电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T1454993的规定。 用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点电压正弦波畸变率超过标准时，用户必须采取措施予以消除，否则，供电企业可中止对其供电。 四、谐波限值 为保障电网内设备
4、及广大客户的安全、经济运行，在GB/T1454993电能质量公用电网谐波中规定了公用电网谐波电压限值，见下表所示。 公用电网谐波电压限值 电网标称电压（kV） 电压总谐波畸变率（%）各次谐波电压含有率（%） 奇次 偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6 10 4.0 3.2 1.6 35 3.0 2.4 1.2 66 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 根据GB/T1454993的规定，电网经营企业承担了确保谐波不超限值的责任，并作为对电网经营企业的一项考核指标。用GB/T1454993中提供的公式，可以计算出允许一个具体企业向电网注入的谐波电流
5、的大小。若把谐波视作污染，限制注入电网的谐波也就是限制排污量。 五、谐波管理 电网谐波管理的依据是国家颁发的电力法、电力供应与使用条例、电能质量公用电网谐波及电力企业制订的有关规定、条例和实施细则等。供电营销管理部门主要要做好客户谐波源的管理，谐波源又分现有谐波源和新装、增容客户谐波源的管理。可以采用以下一些对策： 1）贯彻“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，并要按要求治理合格。 （2）现有谐波源的管理：应建立和健全客户谐波源的技术档案，包括设备的容量、型式、参数、主接线，有关电容器或滤波器的参数，谐波设计计算值和实测值等。当谐波源产生的谐波电流或使公共连接点的谐波电压超出标准规定的允许值时，应
6、按就地治理的原则，限期采取措施，否则，供电企业可中止对其供电。 （3）新装或增容的谐波源管理：把好投运关，对具有谐波源的客户在申请用电时，应根据谐波源和系统公用电网参数，进行谐波预测计算，对于超出允许值的客户，需采取限制谐波的措施，与用电设备同时投运，也就是说，对客户工程同时设计、同时施工、同时接入使用。新设备投运后，进行谐波实测复核，合格者才允许正式接网运行。（4）在日常工作中，对有谐波源的客户要定期测量、检查，加强管理力度。（5）为提高电网电能质量和供电效率，查明电力谐波来源，为对谐波开展有效治理提供依据，有必要将基波电能与谐波电能分别计量，并区别出谐波潮流，尽而通过对向电网注入谐波的客户
7、采取惩罚性计费的方式，强制其尽快采取措施，以减小由其注入给电网的电力谐波量，从而保证电网的可靠运行和不损害线性负荷客户的利益。1谐波产生的原因在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的：（1）可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。（2）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。图1为三相六脉动整流装置原理接线图，此时交流侧电流的傅里叶级
8、数展开式为：可见交流侧电流含有谐波，谐波次数为（6K1）次，各次谐波含有率为肖雁鸿, 毛 筱，周靖林，姜会霞，彭永进湖南大学电气与信息工程学院摘 要：谐波测量在电力系统中占有重要的地位和作用。根据电力系统谐波测量的基本要求，概述了电力系统谐波测量的硬件实现，并对应用于谐波测量的方法进行了分析和评述。最后对电力系统的谐波测量的发展趋势提出了看法。关键词：谐波测量； 快速傅立叶变换； 瞬时无功功率； 神经网络；小波分析1 引言 随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子
9、技术的发展。因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点1和主要依据。谐波测量的主要作用有2,3：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。谐波故障或异常原因的测量。谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。由于谐波具有固有的非
10、线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。本文论述了电力系统谐波测量的基本要求和谐波测量装置，并对谐波测量方法进行了综述。 2 电力系统谐波测量的基本要求（1） 谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准GB/T 1454993，即电能质量公用电网谐波。（2）精度要求。为达到减少误差和精确测量的目的，须制定一些测量精度，以表示抗御噪声、杂波等非特征信号分量的能力。（3）速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞性小。（4）鲁棒性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。（5）实践代价小。此项要
11、求往往与上述要求相冲突，在实践中应酌情考虑，在达到应用要求的前提下，应力求获得较高的性能价格比。 3 谐波测量的硬件及其测试实际的谐波测量装置因应用的时期、场合和要求的不同而形式各异。按测量功能分类，可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类，可分为模拟式和数字式测量仪器。按测量功用分类，可分为谐波分析仪和谐波监测仪。频谱分析仪提供谐波的频谱分布特性，谐波监测仪提供谐波成分的变化情况，谐波分析仪提供电压谐波、电流谐波畸变率及每次谐波含量等。为谐波分析评估和治理提供依据，除上述仪器外，还有谐波功率流向计和谐波阻抗测量计等专用仪器。总之，谐波测量装置经历了从早期的模拟、数字电路模块，到目前广泛使
12、用的单片机、工控机、DSP等发展过程。谐波测量装置的开发过程包括算法理论设计、仿真调试、程序固化和动态模拟或现场测试等过程。 4 电力系统谐波测量的主要方法 4.1 采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。图1为模拟并行滤波式谐波测量装置框图2。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率f1、f2、fn是固定的，为工频的整数倍，且f1 f24.2 基于傅立叶变换的谐波测量 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。
13、其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式(1)不成立时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。式中 T0为信号周期；Ts为采样周期；fs为采样频率；f0为信号频率；L为正整数。减少频谱泄漏的方法主要有3种： 1）利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和
14、电流的幅值及相位。文4给出了不同窗函数（如矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗哈里斯窗）的插值算法。在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求。式(2)和(3)为矩形窗插值算法计算复幅值Am和相角jm的公式5。式(4)和(5)为海宁窗插值算法计算复幅值Am和相角jm的公式。2）修正理想采样频率法6。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值，修正公式如式(6)。该方法计算量不大，并不需要添加任何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但只能减少50%的泄漏6。 3）利用数字式锁相器(DPLL)使信号频率和采样频率同步7。图2为频率同步数字锁相装置框图。图中数字式相位比较器把取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直到输入频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。这种方法实时性较好。 除上述3种方法外，还有其它减少泄漏的方法，如文献8提出
