谐波电流检测方法综述

谐波电流检测方法综述

摘要：随着我国工业的迅猛发展，电网中电力电子元件的使用越来越多，如整流器、变频调速装置、电弧炉等，这些电力电子装置由于其非线性、多样性的特点，带来的谐波污染也越来越严重，严重影响了电能质量，而且对各种用电设备的正常运行带来了消极的影响；另一方面现代化工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对电能的使用和需求提出了更高的要求。因此，实时、准确地检测电网中的谐波含量，对于防止谐波的危害，保障电网安全运行具有十分重要的意义。

本文对基于瞬时无功功率理论、有功分离、傅里叶变换、神经网络、小波分析等原理的几种谐波检测方法进行了介绍，讨论了各种检测方法的优缺点，对这些谐波的抑制方法进行了详细的综述。

一、绪言

1.谐波的来源

谐波的定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。当电流流经非线性负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备被称为谐波源。谐波源的来源很复杂，但主要的谐波源还是来自于具有非线性特性的电气设备，如变频调速装置、整流设备、电子控制照明装备和磁性铁芯设备等等。

目前，应用最为广泛的整流电路都是由晶闸管或二极管组成的。其中以三相桥式和单相桥式最为普遍。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路就是一个典型的谐波源。由于其输入电流的谐波成分非常大，会给电网带来严重的污染。变频器中的谐波干扰也是尤为突出，变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源产生干扰。

现在随着电力电子技术的广泛应用，谐波源已经存在于电力的生产、传输、转换和使用的每一个环节中。

2.谐波的危害

谐波的危害可以总结为以下几个方面：

1）电网中的电压与电流波形发生畸变都是由高次谐波引起的，相同频率的谐波电压和电流能产生相同次数谐波的有功和无功功率，降低了电网的电压，引起线路的附加损耗，使得电网容量造成不必要的浪费。

2）谐波对供电系统的无功补偿设备的影响也是不容忽视的，谐波进入电网时会导致变电站高压电容过电流和过负荷，在这种情况下，无功补偿设备不能正常运行，更严重的请况下，还会将电网中的谐波进一步放大。

3）谐波常常会使系统中的电感、电容发生谐振，当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高，谐波电流增大，会引起继电保护及熔断器等误动作，损坏系统设备，引发系统事故，威胁电力系统的安全运行。

4）谐波也会增加电力变压器的铜损和铁损，变压器的使用容量和使用效率会受到很大影响；还会增大变压器噪声，变压器的使用寿命也相应缩短。

由于谐波的诸多危害，分析、检测并抑制谐波显得十分重要。传统的抑制谐波的方法

是吸收谐波源产生的谐波电流，这类装置都是由电容器、电抗器和电阻器按照一定的算法组合而成。这种就是我们通常所说的无源滤波，它的缺点显而易见，只能消除特定的几次谐波，而且对某些次谐波还会起到一点的放大作用。随着电力电子技术的不断进步，这些无源设备早已不能满足现在需求，我们需要一种能够检测出谐波含量，然后根据检测的结果进行实时的、针对性的补偿装置，也就是现在广泛应用的有源电力滤波器。由于有源电力滤波器的这种优势，使得有源电力滤波器得到了越来越广泛的应用。然而谐波检测是有源电力滤波器的首要和关键任务，滤波效果很大程度上取决于检测方法，因此准确、实时的检测出电网中瞬态变化的谐波电流是致力于谐波检测方法研究人员的最终目标。

为了准确、实时地检测出电网中瞬时变化的谐波，国内外专家学者提出了各种各样的检测方法。现有的谐波检测方法按照原理可分为模拟滤波器法、基于Fryze 传统功率定义的方法、基于瞬时无功功率理论的方法、基于傅里叶变换的方法、基于神经元网络的方法、基于自适应对消原理的方法、基于小波分析的方法。

二、有源电力滤波器的谐波检测方法

谐波检测方法能够直接影响有源电力滤波器的滤波补偿效果，如果谐波电流检测的越准确，补偿的精度就会越高，谐波电流检测的越快，补偿的动态响应也会越迅速。因此不断的提升谐波检测的准确性和实时性成为了国内外学者致力研究的目标。

下面介绍几种典型的有源电力滤波器的谐波检测方法：

2.1基于瞬时无功理论检测法

日本学者H.Akagi于1984年提出了基于时域的非线性条件下的瞬时无功功率理论，它以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，故称p-q理论。后又补充定义了瞬时有功电流i p，和瞬时无功电流i q，等物理量，并将其应用于电力系统谐波检测。目前基于瞬时无功功率理论的谐波检测研究已经非常深人，并取得了工程应用成果。在有源电力滤波器中，它是总谐波实时检测的主要方法。以计算p和q为出发点的方法称为p-q法，以计算i p和i q 为出发点的方法称为i p-i q法，它们的优点是都能准确地检测对称三相电路的谐波值，且实时性较好，在只需测量谐波时可以省去锁相环电路，能快速跟踪电流，进行实时补偿，不受电网参数和负载影响，缺点是适应范围小，只适应于对称三相电网。

1)p-q法，该运算方法原理如图1 所示。

图1 p-q运算方法原理图

根据该方法算出的p ，q ，经低通滤波器(LPF)得直流分量p ，q . 电网电压无畸变时，p 为基波有功电流与电压作用所产生，q 为基波无功电流与电压作用所产生。所以由p ，q 可以计算出检测电流i a ,i b ,i c 的基波分量i af ,i bf ,i cf .从i a ,i b ,i c 中减去i af ,i bf ,i cf ，即可得到谐波电流i ah ,i bh ,i ch .

23012123231223C ⎤⎡⎥⎢⎥⎢⎥⎢=⋅-⎥⎢⎥⎢⎥⎢--⎥⎣⎦

⎥⎦⎤⎢⎣⎡---⋅=2/32/302/12/113232C

1

sin cos cos sin pq pq t t C C t t ωωωω--⎡⎤==⎢⎥--⎣⎦

2) i p -i q 法.该运算方法原理如图2所示。

图2 i p -i q 法运算方法原理图

该方法不直接对采样得到的三相系统电压进行变换，而是以与电压矢量同步的单位正序基波矢量来代替电压矢量。根据瞬时无功理论可得

sin cos cos sin i i P t t i i Q t t αβααβαββμμωωμμωω--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣

⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 图2 中sin cos cos sin t t C t t ωωωω-⎡⎤=⎢⎥⎣⎦

，由于电压为单位正序基波矢量，所以i P i Q αβ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦．根据定义可计算出i p ，i q ，经LPF 滤波可得直流分量p i , q i ．这里p i , q i 是对应于电流基波分