有源电力滤波器的谐波检测最新方法分析

王一军 吴伟标 于晶荣 粟梅

(中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：文章论述了电力系统中有源电力滤波器的谐波问题，分析了产生谐波的原因。同时，针对目前最新研究谐波检测成果，分析了自适应对消谐波检测，FBD(Fryze-Buchholz —Dpenbrock )法谐波检测，小波变换等方法的最新进展，为实现有源滤波器的谐波检测提供的参考依据，最后对谐波检测方法发展趋势进行了展望。

关键词：有源电力滤波器；谐波检测；FBD 法；小波变换 中图分类号：TM7 文献标识码：A

The Latest Analysis of Harmonic Detection

Method for Active Power Filter

WANG Yi-jun ,WU Wei-biao , YU Jing-rong ,SU Mei

(School of Information Science and Engineering ,central south university ,

Changsha 410083, china)

Abstract:In this paper,discussing the active power filter(APF) power system harmonics problems, and analyzing the reason why create harmonic. Meanwhile, according to the latest research for the current harmonic detection results, proposing the adaptive cancellation harmonic detection, FBD (Fryze-Buchholz-Dpenbrock) harmonic detection method, wavelet transform methods.This paper is used for relization of APF conditioners that can provide the reference materials.At last, predicting the prospect trend of harmonic detection methods.

Key words: active power filter; harmonic detection; FBD method; wavelet transform

*

收稿日期：2011-9-29

作者简介：王一军（1963-），男，东北人，教授，研究方向：系统工程。吴伟标（1988-），男，江西抚

州人，硕士研究生，研究方向：电能质量控制技术（Email ：wuweibiao.27@163.com ）。

1引言

21世纪能源和环境问题将会成为人类发展面临的极为重要问题，如何保证可持续发展情况下，为人类提供安全，稳定，优质经济的电能，是电力系统面临的主要问题。我国是快速发展的国家，对能源的需求是非常大的，尤其是在未来的几十年，我国电力系统每年需要新增发电装机容量达2500万kw 以上，更要完成“西电东送，南北互济，全国联网，厂网分开”的具有很先进管理水平的现代化全国大电力系统[1]。然而，随着电力电子技术的不断发展，出现了很多一些新的非线性设备，比如逆变器，变频器和开

关电源等，给人们带来便利的同时也导致电力系统出现了谐波。尤其是当大量使用电力电子设备，由于应用的范围非常广泛，谐波带来的危害也就越来越严重。谐波造成的危害常见有产生附加功率损耗，发热（发电机，电动机），电网过负荷，过电压，继电保护误操作及干扰其他设备等[2]。因此，谐波电流和无功补偿的治理问题是国际上最为关心的问题，本论文中，综合国内外相关文献，重点讲述了谐波电流的检测方法，分析对比之间的优缺点，并对未来谐波检测方法进行 了展望。

“谐波”最早起源于声学的领域，指的是弦或空气以一定的频率振动，这个频率是基波的整数倍[1]。实际上，谐波在日常生活中是电网工频50Hz的整数倍，即：f h=n*50，比如3次谐波，则谐波频率f3为150Hz。对于在无源电路中，积分，微分电路不易产生谐波，但关键是如果是很有非线性的设备，显然会造成波形的严重畸变，这也是造成谐波的主要原因。谐波源的分类有：具体而言，电网中的谐波源主要有分两类，一种是含有半导体非线性的电力电子设备；另外一种是含有电弧和铁磁非线性设备[2]。

a.电力电子设备。如电气化铁道，电力机车为单相整流负荷因此产生谐波，同时由于牵引变压器三相电流不平衡，故基波负序大，而牵引负荷具有波动性大和沿线分布广的特点，所以其谐波干扰的影响面较大。特别是各种相控装置，如相控整流器、相控交流调压电路及交-交变频器等。

b.工业含有电弧和铁磁非线性设备。由于工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且由于电弧不稳定，会产生大量的谐波电流，其谐波频谱不规则，几乎是连续频谱。比如电力变压器，变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，对于常用的三相变压器来说，其励磁电流中谐波的大小和铁芯结构、饱和程度、变压器联结方式都密切相关。

另外，造成谐波的直接原因是设备设计思想的改变[1]。过去倾向于采用在额定情况以下工作的设汁，然而，在当今的市场竞争下，电工设备倾向于采用征临界情况下的设计，这样导致了很多设备工作达到了极限，即没有在安全工作区区域，系统趋于非线性，导致电力系统出现谐波。

3 谐波检测的最新方法分析

为了解决谐波问题，很多学者提出了谐波检测的方法，主要分为时域谐波检测方法和频率谐波检测方法两种，时域谐波检测方法常见的有模拟滤波器法，pq法，i p-i q法等；频率谐波检测方法常见的有FFT快速傅里叶变换谐波检测法等。本文重点介绍自适应干扰对消原理，FBD法，小波变换法等最新谐波检测方法进展。

3.1基于自适应干扰对消原理的谐波检测法

该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，从而得到所有谐波与无功电流之和[3]。按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统，故其运行特性与元件参数几乎无关，对器件特性的依赖性也不大。当电网电压发生波形畸变以及频率波动时，检测系统仍能正常工作，具有良好的自适应能力，但动态响应速度较慢。由于人工神经元网络具有自学习和电流自适应的能力，因此人们将智能控制理论应用到无功和 谐波电流检测上。

图1 传统的自适应谐波检测方法

如上图1所示，是一种典型的自适应算法，得到该结构图的传递函数为:

2222

()()/()

()/()

G s I s I s

s w s ks w

=

=+++

（1）根据（1）式分析得到幅频函数为：

22

1

()()/

A w w w

=−（2）

上式中k为积分常量，由（2）式分析当k取很小的时候，检测精度就高，但是动态响应特性差，当k取得很大的时候，检测精度虽然低，但是动态响应特性好。要指出的是，若人工神经网络理论与信号处理中的自适应噪声对消技术相结合，效果将更好。

文献[4]提出的一种多重因子自适应谐波检测法，以自适应噪声对消技术为基础，通过引入动态因子。不但加快了动态响应速度，而且减小了低信噪比情况下的稳态失调，增强了算法对畸变电流的抗干扰性。文献[5]提出为了减少因为定步长自适应算法值的选择对滤波效果的影响程度,减少谐波

稳态分析的误差,提高跟踪响应的速度,并验证基于改进自适应算法滤波器的有效性和优越性。文献[6]提出了一种基于自适应对消技术的修正遗忘因子RLS 谐波电流检测算法，该算法从研究权值收敛方式出发，通过设置阈值来判断突变，使得检测过程既有较快的动态响应又有较高的检测精度。可见，自适应对消原理的最主要在于滤波的响 应速度及收敛程度问题展开。 3.2 基于FBD 法的谐波检测方法 FBD 法的基本思路是：把实际电路中的负载等效为理想电导元件，认为电路中的功率都消耗在这个等效电导上，而没有能量的损失[7]。FBD 检测算法中没有复杂的矩阵变换，可以更加快速地进行电流实时检测，尤其是在系统电压畸变的情况下检测出三相电流的基波正序有功、正序无功电流分量，

不对称和谐波电流分量。

图2基于FBD 法电流检测的原理图 在电力系统的谐波检测中，利用FBD 法

首先是根据等效电导与基波正序电流关系，

经过数算后得到线性有功功率电流i Lp ，

当参考信号相位之后90o

，同理可以得到线

性无功功率i Lq ，传统的电流检测如图2所

示。图2中输入是三相负载电流i La ,i Lb ,i Lc ,

参考电压输入为e a ,虚线以上检测的是基波

正序有功电流，虚线以下部分是经过PLL 及

移相后得到的基波正序无功电流。

文献[8]提出的有源电力滤波器（APF）

检测方法，指出重要的问题能够准确和迅速

检测谐波电流或无功电流，故提出一种与广

义积分调节器相结合改进的FBD 方法，该方

法的检测算法实现简单，且广义积分是用来

提取电网电压的正序基波电压，可避免FBD

谐波检测方法引起电压波形的失真。文献[9]指出FBD 方法并没有复杂的转换和逆变，它可以用来检测单相，三相三线和三相四线制系统谐波电流。但FBD 中的方法需要一个低通滤波器提取的直流电流，它会导致延迟和相移的问题，要解决这些问题，该文献提出了一个实时的滑动窗口提取的直流电流，而不是低通滤波器。

3.3基于小波变换的谐波检测法

小波变换是将信号与一个时域和频域均具有局部化性质的平移伸缩小波基函数进行卷积，将信号分解成位于不同频带一时段上的各个成分[10]。

小波分析的谐波检测法是时域分析的重要工具，它克服了傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点，尤其适合突变信号的分析与处理。它在频域和时域同时具有局部性，因而能算出某一特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解成不同频率的信号块。但还存在着许多不完善的地方，例如缺乏系统规范的最佳小基波的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格、能量集中的小波函数以改善检测精度的规范方法。

文献[11]提出了第二代小波算法（也称为提升算法）是一种新的的谐波检测方法，基于第一代小波算法分解成有限的步骤，并

在时间或空间域的小波变换，可直接通过提

升小波算法完成，可以减少计算。另外，该

文献提到小波滤波器在谐波检测中的应用，是实现谐波信号的频域FFT 特征。与第一代小波变换算法比较计算复杂度大大降低，运行时间也很快。文献[12]分析分别提出基于Mallat 算法、小波包变换、连续小波变换和复小波变换的谐波检测方法在电能质量检测分析上的应用，提出了小波变换混叠现象的处理方法，即在正交小波中加入一个补偿环节，将谐波信号分解成不同频带的子频带信号，再利用连续小波变换对非零子频带信号进行小波分析，由此提取出谐波的信息(频率、幅值、相角)，得到相应的频谱。该方法能有效地消除小波混叠现象，并且能精确地提取谐波分量的信息。 4 谐波检测方法的发展趋势

随着电力系统的飞速发展以及电能质量的要求逐渐提高，对现有的方法远远不能满足，必须对谐波检测方法及其实现技术提出了更高的要求。因此，笔者展望未来有以 下几点：

a.面对复杂环境，未来的谐波源越来越多，尤其是分布式电源的不断应用，供电公司也加入了谐波源的行列，另外，国家提倡绿色能源，比如光能，风能，天然气及氢燃料等均有可能产生谐波加入到供电公司。这样一来，谐波的检测算法趋于复杂化，尤其是当检测谐波的对象是非稳态型的，而这些都需用到智能算法解决；

b.算法复杂提高后，数字化的实现这些算法将会大量用到高速处理芯片，比如DSP，ARM等，尤其是在20世纪90式年代，DSP 发展最快，相继出现了和第五代DSP 器件，这些集成芯片处理速度超过了1GHz，为实现算法提供了很好的解决方案；

c.对以前谐波理论要更新，要转向为更为通用的谐波理论，使之更加完善。因为传统的谐波理论很少涉及到不同次谐波之间产生的畸变功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问 题的客观需求。

5 结束语

总结本论文所谈到的问题，主要是从电网系统的谐波角度出发，简要介绍产生谐波原因，总结出了最新的一些检测谐波的方法，重点论述了自适应对消原理，FBD法及小波变换法进行谐波检测。预测未来的谐波检测都必将会朝着复杂化、智能化的信息处理，高精度、高可靠性性能的方向发展，只有这样，未来的能源问题才能真正的可持续发展。

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