本文摘要：摘要：由于大量的變頻器、電弧爐等非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)中的低頻間諧波問題日益嚴(yán)重。低頻間諧波除了具有一般間諧波的特性外，還會(huì)干擾通信，以及引起低頻振蕩等，因此低頻間諧波的檢測分析與治理技術(shù)的研究具有十分重要的意義。 首先，總結(jié)了低頻間
摘要：由于大量的變頻器、電弧爐等非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，電力系統(tǒng)中的低頻間諧波問題日益嚴(yán)重。低頻間諧波除了具有一般間諧波的特性外，還會(huì)干擾通信，以及引起低頻振蕩等，因此低頻間諧波的檢測分析與治理技術(shù)的研究具有十分重要的意義。
首先，總結(jié)了低頻間諧波檢測方法及發(fā)射特性的研究現(xiàn)狀，指出其缺少實(shí)時(shí)檢測方法和精確發(fā)射模型的問題;其次，綜述了現(xiàn)有的低頻間諧波治理技術(shù)，闡明國內(nèi)外研究較少，缺乏成熟的治理方案;最后，指出電弧爐低頻間諧波發(fā)射模型、低頻間諧波傳播特性及其治理技術(shù)將是未來此領(lǐng)域的可能研究方向。
關(guān)鍵詞：低頻間諧波,檢測方法,發(fā)射特性,傳播特性,治理技術(shù)
0引言
隨著大功率電力電子設(shè)備、超高功率電弧爐等大容量、非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)的容量及數(shù)量的增加，該類負(fù)荷產(chǎn)生的低頻間諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響日益嚴(yán)重。間諧波是指頻率為基波非整數(shù)倍的波形，即間諧波頻率介于工頻和諧波頻率之間[1-2]，而低頻間諧波指的是頻率在0~100Hz且不是基波頻率整數(shù)倍的分量[3-5]。
低頻間諧波除了引起和間諧波類似的危害如渦流損耗、磁滯損耗、諧振過電壓[6]及影響計(jì)量儀器的正常工作外[7-8]，其產(chǎn)生的危害還表現(xiàn)在造成電壓波動(dòng)和閃變，干擾電力線上控制、保護(hù)和通信信號(hào)，引起低頻振蕩[6，8]以及影響電力電子化逆變器的穩(wěn)定性[9]等。
如大功率電弧爐用戶在生產(chǎn)時(shí)會(huì)造成所接入的變電站多套保護(hù)頻繁啟動(dòng)，主變壓器噪聲嚴(yán)重，還會(huì)導(dǎo)致接在同一母線上的精密鑄件公司設(shè)備損壞，發(fā)電企業(yè)發(fā)電機(jī)定子振動(dòng)、局部異常發(fā)熱;又如某些大功率電力電子變流裝置在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的間諧波將影響電源的控制精度和裝置的安全運(yùn)行，其噪聲還會(huì)影響精密科學(xué)儀器的運(yùn)行和極微弱信號(hào)的測量。因此，開展低頻間諧波的相關(guān)研究是非常必要的。
本文首先總結(jié)了低頻間諧波檢測方法及發(fā)射特性的研究現(xiàn)狀，指出其缺少實(shí)時(shí)檢測方法和精確發(fā)射模型的問題;其次，綜述了現(xiàn)有的低頻間諧波治理技術(shù)，闡明國內(nèi)外研究較少，缺乏成熟的治理方案;最后，指出電弧爐低頻間諧波發(fā)射模型、低頻間諧波傳播特性及其治理技術(shù)將是未來此領(lǐng)域的可能研究方向。
1低頻間諧波檢測方法
間諧波具有隨機(jī)性和非平穩(wěn)性，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確檢測[10]�，F(xiàn)有的檢測方法主要有傅里葉變換及其改進(jìn)算法、小波變換及其改進(jìn)算法、現(xiàn)代譜估計(jì)等。這些方法大都可以用于低頻間諧波的檢測，但都有一定的局限性，較難實(shí)現(xiàn)低頻間諧波和基波的精確分離。因此，低頻間諧波實(shí)時(shí)精確檢測至今仍是間諧波問題中的一個(gè)重要分支，也是分析和治理低頻間諧波問題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)。
1)基于傅里葉變換的方法。低頻間諧波與電網(wǎng)基頻不同步，利用快速傅里葉變換(fastFouriertransform，F(xiàn)FT)對(duì)其進(jìn)行檢測時(shí)會(huì)引起頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，使檢測出的幅值、相角和頻率有誤差，而采用加窗插值FFT算法且選擇適當(dāng)?shù)募哟昂瘮?shù)及加窗寬度[11]，能較為有效地解決上述問題且不需要同步采樣[12]。但對(duì)電網(wǎng)采樣信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)存在負(fù)頻率分量，會(huì)干擾低頻間諧波的檢測，因此，文獻(xiàn)[5]提出了消除負(fù)頻率影響的加窗插值FFT算法。除此之外，文獻(xiàn)[13]結(jié)合改進(jìn)的小波閾值去噪算法，提出了加窗插值FFT的優(yōu)化算法，以解決其使用條件過于苛刻，即需要在無噪聲的條件下才能保證參數(shù)的檢測精度的問題。
2)基于小波變換的方法。加窗插值FFT算法在一定程度上提高了低頻間諧波的檢測精度，但其頻率分辨率有限，難以實(shí)現(xiàn)與基頻相近的低頻間諧波的準(zhǔn)確檢測，而小波變換具有良好的時(shí)頻局部化特性，可以較好地解決這一問題[14]。但是小波變換存在著由于頻譜泄漏而帶來的混頻現(xiàn)象，需要選用頻域特性較好的小波作為基小波，才能減少其帶來的檢測誤差[15]。
3)時(shí)頻分析的方法。希爾伯特-黃變換法[10](Hilbert-Huangtransform，HHT)是除小波變換外，另一實(shí)現(xiàn)時(shí)變信號(hào)檢測的方法。HHT是一種自適應(yīng)時(shí)頻分析方法，適用于非平穩(wěn)、非線性信號(hào)的分析，能實(shí)現(xiàn)低頻間諧波幅值和頻率的檢測[16]。但是HHT在模態(tài)分解時(shí)存在混疊現(xiàn)象，且難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的穩(wěn)定分解，而局部均值分解法運(yùn)算簡單、求取的瞬時(shí)特征參數(shù)波動(dòng)幅度小、精度高，能較好地解決上述問題[17]。
4)基于現(xiàn)代譜估計(jì)的方法。譜估計(jì)算法理論上對(duì)于有限時(shí)寬的信號(hào)有無限的頻率分辨率[10]，是一種利用給定的樣本數(shù)據(jù)估計(jì)非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度的參數(shù)化算法，包括自回歸模型(autoregressivemodel，AR模型)譜分析和特征分解法[18]。AR模型譜分析是一種系統(tǒng)函數(shù)只有極點(diǎn)的有理分式模型，其過程的功率譜具有尖銳的峰而無深谷[19]。Burg遞推算法和改進(jìn)協(xié)方差法是常用的AR模型參數(shù)求解方法，其中Burg遞推算法求得的模型穩(wěn)定性較高、實(shí)用性較強(qiáng)，但仍存在譜線分裂與譜峰偏移現(xiàn)象。
因此，文獻(xiàn)[20]求解在預(yù)測誤差功率最小意義下的較低階AR模型系數(shù)，再遞推計(jì)算高階系數(shù)，減小了譜峰偏移。特征分解法主要分為Pisarenko諧波分解法(Pisarenkoharmonicdecomposition，PHD)、多信號(hào)分類法(multiplesignalclassification，MUSIC)和Prony算法。PHD通過求解數(shù)據(jù)自相關(guān)矩陣的特征多項(xiàng)式來計(jì)算各種分量的頻率和幅值，其在理論上可高精度地確定電力系統(tǒng)中任意組合的正弦信號(hào)的頻率和幅值[21]。
但是PHD在分析信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛假的正弦信號(hào)，影響檢測精度，而采用MUSIC估計(jì)正弦信號(hào)參數(shù)能較好解決這一問題[22]。除此之外，利用特征空間求根法，可以減小頻率估計(jì)偏差，解決對(duì)噪聲敏感、容易產(chǎn)生虛假頻率的問題[23]。
5)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。譜估計(jì)算法雖然頻率分辨率較高，但需要大型矩陣運(yùn)算，實(shí)時(shí)性差，且無法直接檢測電網(wǎng)寬帶多頻的信號(hào)[10]，而基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法能較好的解決這一問題，包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持相量機(jī)算法。傳統(tǒng)的自適應(yīng)人工神經(jīng)元模型由于激發(fā)函數(shù)是一個(gè)定函數(shù)，用于檢測低頻間諧波信號(hào)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生虛假諧波信息，影響檢測精度，其改進(jìn)算法是將激發(fā)函數(shù)的參數(shù)(也就是諧波次數(shù))同權(quán)值一樣參與調(diào)整，便可得到能檢測低頻間諧波的新模型[24-25]。支持向量機(jī)是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理的算法，它比基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法具有更強(qiáng)的理論依據(jù)和更好的泛化能力[19]。
文獻(xiàn)[26]利用參數(shù)法的高分辨率特點(diǎn)，結(jié)合譜估計(jì)法支持向量機(jī)算法，獲取信號(hào)的幅值、相角及頻率。6)基于功率理論的方法。雖然上述方法可以獲得低頻間諧波電流，但計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性較差，難以適應(yīng)間諧波治理的檢測要求[27]，而基于功率理論的方法結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)間諧波治理適用性強(qiáng)，包括基于瞬時(shí)功率理論和基于Fryze功率理論的方法。瞬時(shí)無功理論是以瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無功的定義為基礎(chǔ)的，主要分為p-q法，ip-iq法和d-q法。目前在間諧波治理中，該方法應(yīng)用最廣泛。
p-q法忽略了零序分量，不能精確地檢測出間諧波電流。ip-iq法和d-q法適用范圍較寬，能解決畸變系統(tǒng)中的間諧波和無功電流檢測問題。文獻(xiàn)[27]提出了間諧波環(huán)境下的守恒功率理論檢測方法。Fryze功率理論是一套能包含畸變和不平衡現(xiàn)象的完善的功率理論，其在電壓無畸變時(shí)可以準(zhǔn)確測出三相系統(tǒng)無功電流，然而電壓有畸變時(shí)則不能準(zhǔn)確測出三相系統(tǒng)無功電流，因此，較難在低頻間諧波的治理檢測中應(yīng)用。
綜上所述，從低頻間諧波檢測的分辨率、可靠性和實(shí)時(shí)性考慮，上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。值得注意的是，現(xiàn)有的檢測方法大多采用上述單一理論，難以同時(shí)滿足檢測精度高、速度快的要求，并且低頻間諧波與基波頻率更相近且其幅值相比于基波要小得多，實(shí)現(xiàn)低頻間諧波和基波的分離更難，其檢測難度更大。
2低頻間諧波發(fā)射特性
低頻間諧波源的精確建模是對(duì)其進(jìn)行仿真分析并提出有效治理方案的前提條件，但是現(xiàn)有研究大都針對(duì)的是間諧波，這些間諧波源模型是否適用于低頻間諧波還有待進(jìn)一步分析。因此，有必要對(duì)電力電子變流器和電弧爐等沖擊性負(fù)荷進(jìn)行研究，建立精確的低頻間諧波發(fā)射模型。
2.1變流器低頻間諧波發(fā)射特性
電力電子變流器是引起電網(wǎng)低頻間諧波問題的主要負(fù)荷之一。因此，研究變流器低頻間諧波發(fā)射機(jī)理，構(gòu)建仿真模型，揭示其發(fā)射特性是重要研究方向之一。變流器大致上可分為電壓型和電流型，兩者之間的區(qū)別在于直流環(huán)節(jié)的濾波器不同。電流型變頻器的直流側(cè)環(huán)節(jié)由平波電抗器構(gòu)成，交流側(cè)產(chǎn)生的低頻間諧波分量可以看成直流側(cè)電流中的紋波分量Ir(wr)通過電流開關(guān)函數(shù)SI(wt)調(diào)節(jié)控制引起的[28]，電壓型變流器直流電路采用穩(wěn)壓電容器濾波，交流側(cè)產(chǎn)生的低頻間諧波分量則是由直流紋波電壓Ur(wr)通過電壓開關(guān)函數(shù)SU(wt)調(diào)節(jié)控制引起的[29]。
3低頻間諧波治理技術(shù)
低頻間諧波治理技術(shù)對(duì)預(yù)防及消除其危害，保證供電質(zhì)量、確保系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義，但是現(xiàn)有的研究較少，尚無成熟、可推廣復(fù)制的治理案例，加裝濾波器是目前應(yīng)用最廣泛的治理措施。該措施雖然可以實(shí)現(xiàn)低頻間諧波的治理，但存在一定的局限性，如濾波器在低頻間諧波環(huán)境下可能產(chǎn)生低頻振蕩。
因此，低頻間諧波治理技術(shù)的研究是電能質(zhì)量問題的一個(gè)重要分支。電力濾波器大致上可分為無源濾波器(passivefilter，PF)和有源濾波器(activepowerfilter，APF)。PF是一種利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。目前在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是低頻間諧波的高度時(shí)變性和非線性使其在低頻間諧波治理方面較難實(shí)現(xiàn)。
APF是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型濾波裝置，是低頻間諧波抑制的主要有效手段之一。低頻間諧波檢測技術(shù)和控制策略是應(yīng)用APF的關(guān)鍵技術(shù)，其控制策略主要分為電壓源控制策略和電流源控制策略2種。文獻(xiàn)[27]采用重復(fù)和PI復(fù)合的控制方式，結(jié)合等價(jià)輸入干擾控制器，提高了間諧波環(huán)境下的控制性能。文獻(xiàn)[37]提出了一種基于巴特沃斯濾波器的并聯(lián)型有源濾波器。
文獻(xiàn)[38]分析指出巴特沃斯無限長沖激響應(yīng)型帶通濾波器對(duì)間諧波的抑制作用比較好。除此之外，結(jié)合有源濾波器優(yōu)良性能與無源濾波器低廉成本的混合式有源濾波器將是低頻間諧波治理實(shí)際應(yīng)用的熱點(diǎn)[39]。針對(duì)變流器的低頻間諧波治理，除了采用上述方法外，還可以通過改進(jìn)電力電子變流器來實(shí)現(xiàn)[40]。
4研究展望
4.1低頻間諧波與電壓波動(dòng)
任意電力系統(tǒng)畸變信號(hào)都能用幅度調(diào)制(AM)和相位調(diào)制(PM)的形式解釋[41]。間諧波與基波調(diào)制可表示為AM調(diào)制信號(hào)和PM調(diào)制信號(hào)的疊加，其中PM信號(hào)的包絡(luò)線為直線，不會(huì)引起電壓波動(dòng)，然而間諧波的初相位會(huì)影響信號(hào)調(diào)制，因此間諧波引起的閃變部分為幅度調(diào)制和相位調(diào)制的疊加;電壓波動(dòng)信號(hào)數(shù)學(xué)模型在經(jīng)過積化和差公式分解后，可以轉(zhuǎn)化為基波和一對(duì)間諧波的疊加[42]，而一對(duì)間諧波產(chǎn)生的電壓波動(dòng)影響可以等同于一個(gè)間諧波產(chǎn)生的電壓波動(dòng)影響[43]。
由于目前關(guān)于低頻間諧波的研究較少，未來可以通過研究低頻間諧波和電壓波動(dòng)的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換關(guān)系，以此研究低頻間諧波的相關(guān)問題。
4.2電弧爐低頻間諧波發(fā)射特性
國內(nèi)外現(xiàn)有的電弧爐低頻間諧波發(fā)射特性研究較少，主要還是集中在電壓波動(dòng)、諧波及三相不平衡等方面。可以通過研究低頻間諧波和電壓波動(dòng)的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)有的電弧爐電壓波動(dòng)模型，推導(dǎo)出發(fā)射模型，以此研究其發(fā)射特性。
4.3低頻間諧波傳播特性
現(xiàn)有的低頻間諧波傳播特性研究較少，主要研究對(duì)象是電壓波動(dòng)與閃變。文獻(xiàn)[44]研究了電力間諧波的相序特性，以此分析了間諧波對(duì)在電網(wǎng)中的傳播特性。文獻(xiàn)[45]提出了一種新的頻域方法分析由沖擊性負(fù)載引起的閃變?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中的傳播特性，以此確定網(wǎng)絡(luò)中總線上閃變水平。低頻間諧波的時(shí)變性和非線性，增加了配電網(wǎng)低頻間諧波傳播特性研究的難度，未來可以研究低頻間諧波和電壓波動(dòng)的關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換關(guān)系，結(jié)合閃變?cè)陔娋W(wǎng)中的傳播特性，建立多空間維度、多時(shí)間尺度的低頻間諧波傳播特性仿真模型。
4.4低頻間諧波治理技術(shù)展望
低頻間諧波經(jīng)由LC設(shè)備時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生低頻振蕩，而低頻間諧波治理裝置的控制策略不當(dāng)時(shí)，可能進(jìn)一步激勵(lì)這種振蕩，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，且傳統(tǒng)的控制策略并不適用于低頻間諧波的治理。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境以及高速精確補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>
低頻間諧波的時(shí)變性和非線性，給其檢測帶來了很大的難度，難以實(shí)現(xiàn)低頻間諧波的實(shí)時(shí)跟蹤，且當(dāng)負(fù)載側(cè)有低頻間諧波時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響鎖相環(huán)節(jié)的正常工作，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的補(bǔ)償性能惡化。因此，如何實(shí)現(xiàn)低頻間諧波的實(shí)時(shí)精確檢測及鎖相環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步分析。無功補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)電壓波動(dòng)治理的重要措施，低頻間諧波與電壓波動(dòng)具有關(guān)聯(lián)性，因此，未來可以通過研究電壓波動(dòng)的治理來實(shí)現(xiàn)低頻間諧波的治理。現(xiàn)有的無功補(bǔ)償裝置分為靜止無功補(bǔ)償器及靜止同步補(bǔ)償器。文獻(xiàn)[46]提出了聯(lián)合2種裝置運(yùn)行的補(bǔ)償方案，但其是否能抑制低頻間諧波還有待商榷。
5結(jié)語
本文總結(jié)了低頻間諧波的檢測方法，探討了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了電力電子變流器、電弧爐這2類源的發(fā)射特性，對(duì)現(xiàn)有的低頻間諧波主要治理措施進(jìn)行了綜述，在此基礎(chǔ)上對(duì)其未來需要研究的問題進(jìn)行了展望，指出實(shí)現(xiàn)低頻間諧波實(shí)時(shí)精確檢測、建立電力電子變流器和電弧爐類設(shè)備低頻間諧波的發(fā)射及傳播模型、研究低頻間諧波的治理方案及控制策略是未來低頻間諧波的重要發(fā)展方向。
電力論文投稿期刊：《大功率變流技術(shù)》讀者對(duì)象主要為從事變流技術(shù)、電傳動(dòng)與控制自動(dòng)化領(lǐng)域研究和開發(fā)的科研人員，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和管理人員，以及大中專院校相關(guān)專業(yè)的師生，行業(yè)涉及交通(包括鐵道交通、城市軌道交通、電動(dòng)汽車等)、電力、冶煉、礦業(yè)開采、軍工等。
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