100多年來(lái),隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,以非化石能源為主的新一代電力系統(tǒng)格局已經(jīng)產(chǎn)生,將來(lái)清潔能源和可再生能源將占有很大的比重。在此背景下,電力電子元器件的大量使用導(dǎo)致電力系統(tǒng)不可避免地受到諧波的污染。
電力系統(tǒng)中的諧波分量過(guò)大將造成諸多危害:①使電能利用率降低,電力系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生附加能耗,同時(shí)增加了電氣應(yīng)力,影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行;②大量分布式電源在公共連接點(diǎn)(point of common coupling, PCC)集中被接入,可能放大電網(wǎng)的諧波振蕩;③在柔性直流輸電運(yùn)行過(guò)程中,直流場(chǎng)持續(xù)的諧波擾動(dòng)可能引發(fā)一系列不穩(wěn)定現(xiàn)象,從而影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行;④諧波還可能使得保護(hù)誤動(dòng)作,測(cè)量裝置產(chǎn)生誤差,甚至可能會(huì)對(duì)通信線(xiàn)路產(chǎn)生干擾,影響通信效果。
針對(duì)諧波產(chǎn)生的種種危害,我國(guó)在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開(kāi)展了諧波治理的相關(guān)研究,并制定了《電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549—93)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公共電網(wǎng)諧波允許值進(jìn)行了限制。此后對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理,改善電能質(zhì)量成為一項(xiàng)持續(xù)而長(zhǎng)久的工作。有源電力濾波器(active power filter, APF)是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波、全面改善電能質(zhì)量的電力電子裝置,諧波電流的精確、實(shí)時(shí)檢測(cè)直接影響其動(dòng)態(tài)抑制的效果。
對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行高精度、實(shí)時(shí)地檢測(cè)是諧波治理的前提,對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高又進(jìn)一步推動(dòng)諧波檢測(cè)性能指標(biāo)的提高,這促使人們不斷去探尋更佳的新方法、新理論。本文對(duì)不同諧波檢測(cè)方法進(jìn)行梳理、總結(jié),希望從中獲得啟發(fā),為后續(xù)相關(guān)研究提供幫助。
諧波檢測(cè)方法按常規(guī)劃分,可以分為頻域檢測(cè)法、時(shí)域檢測(cè)法和其他檢測(cè)法;按是否具有選擇性劃分,又可以分為單獨(dú)檢測(cè)每個(gè)諧波幅度的選擇性檢測(cè)方法和將電流直接分成基波和諧波分量的非選擇性檢測(cè)方法。
下面,本文將對(duì)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法、基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法、基于小波變換的諧波檢測(cè)法、基于希爾伯特-黃變換的諧波檢測(cè)法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法、復(fù)合檢測(cè)法以及近期出現(xiàn)的一些新方法和新理論展開(kāi)分析。
1.1 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法
20世紀(jì)80年代,日本學(xué)者赤木泰文首次提出了三相電路的瞬時(shí)無(wú)功功率理論,此后該理論經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展、完善,產(chǎn)生了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,實(shí)時(shí)性好,檢測(cè)延時(shí)不到一個(gè)電源周期。三相電路有兩種檢測(cè)方法,即p-q法和ip-iq法。
在三相三線(xiàn)制電路中,當(dāng)電網(wǎng)電壓存在畸變時(shí),因?yàn)閜-q法無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波,而ip-iq法采用鎖相環(huán)技術(shù)隔離了畸變量對(duì)檢測(cè)的影響,所以檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。通過(guò)模擬電路構(gòu)造一個(gè)三相系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單相電路檢測(cè)的難度很大,有學(xué)者通過(guò)低通濾波器擴(kuò)大增益獲得瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流的幅值Ip、Iq,進(jìn)而可獲得瞬時(shí)值ip(t)、iq(t),即
式(1)
由式(1)即可求得瞬時(shí)諧波電流ih(t),避免構(gòu)造三相電路,且算法復(fù)雜度也大大降低。
1.2 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法
快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)法精度較高且容易實(shí)現(xiàn),是目前諧波檢測(cè)領(lǐng)域廣泛使用的方法,但計(jì)算量大,檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng),實(shí)時(shí)性較差,當(dāng)采樣周期和信號(hào)周期不同步時(shí),會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng);當(dāng)采樣頻率不滿(mǎn)足采樣定理時(shí),還會(huì)產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。
發(fā)生頻譜泄漏的主要原因是由于FFT將無(wú)限長(zhǎng)序列作截?cái)嗷幚砗?、使原?lái)的頻譜向邊緣擴(kuò)散造成的。通過(guò)加窗函數(shù)和譜線(xiàn)校正消除頻譜泄漏是目前主要采用的方法。窗函數(shù)有很多種,選擇合適的窗函數(shù)顯得尤為重要。在FFT的基礎(chǔ)上添加6種窗函數(shù)進(jìn)行比較后的結(jié)果表明,加窗后幅值檢測(cè)精度得到了大幅提高,相位精度也得到了顯著提高。
1.3 基于小波變換的諧波檢測(cè)法
小波變換的優(yōu)勢(shì)在于,無(wú)論時(shí)域還是頻域都能夠獲得局部信息,用于分析非平穩(wěn)信號(hào)和瞬變信號(hào)十分合適,但由于小波變換的頻帶非均勻劃分,即低頻頻帶窄而高頻頻帶寬,所以可能會(huì)產(chǎn)生小波混疊和頻譜泄漏現(xiàn)象,從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。
1.4 基于希爾伯特-黃變換的諧波檢測(cè)法
希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform, HHT)法相比于小波變換法具有能夠提取任意頻率諧波信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。HHT變換利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition, EMD)法對(duì)非線(xiàn)性、非平穩(wěn)的信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性平穩(wěn)化處理,主要步驟是,先利用EMD將給定的信號(hào)分解為若干固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode functions, IMF),再將每個(gè)IMF分別進(jìn)行希爾伯特變換,獲取各分量隨時(shí)間變化的瞬時(shí)頻率和幅值。
1.5 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法
近年來(lái),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural net- work, ANN)在電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方面也得到了廣泛應(yīng)用,該網(wǎng)絡(luò)主要為多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(multilayer feedforward neural network, MLFNN)和自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。有學(xué)者提出了一種并聯(lián)型層疊狀的MLFNN,但該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且耗時(shí)較長(zhǎng)。為了縮短延時(shí),有學(xué)者考慮到波形的變化趨勢(shì),將k時(shí)刻和k 1時(shí)刻的三相電流采樣值作為MLFNN的輸入,該方法具有很好的實(shí)時(shí)性。
將初相角單純地假設(shè)為0°或者180°,以及先用軟件測(cè)出初相角,都顯得較為繁瑣,有學(xué)者提出的MLFNN能夠同時(shí)進(jìn)行諧波幅值和相位檢測(cè),可用于電力系統(tǒng)諧波實(shí)時(shí)檢測(cè)和有源濾波器諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。有學(xué)者采用誤差反向傳播算法(error back propagation, BP)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),但耗時(shí)較長(zhǎng),且可能落入局部極值。
為了避免落入局部極值,可先用遺傳算法(genetic algorithm, GA)對(duì)MLFNN進(jìn)行全局訓(xùn)練,再用BP算法進(jìn)行精確訓(xùn)練。在系統(tǒng)基波頻率波動(dòng)的情況下,有學(xué)者提出的改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)基波頻率、基波和諧波幅值和相位的分析具有很高的精度,但它只考慮了整數(shù)次諧波,未考慮次諧波和間諧波,且白噪聲時(shí)精度下降的幅度較大。
有學(xué)者提出了一種基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN),能夠在基波頻率波動(dòng)、含噪聲擾動(dòng)、含間諧波以及間歇性負(fù)載等工況下依然具有較高的檢測(cè)精度,但如何動(dòng)態(tài)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大小以克服訓(xùn)練樣本存在的不足,依然是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法待解決的問(wèn)題。
1.6 復(fù)合檢測(cè)法
單獨(dú)使用以上的諧波檢測(cè)方法或多或少都存在一些缺陷,比如電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng),實(shí)時(shí)性較差,存在頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)和頻率混疊等。近年來(lái),越來(lái)越多專(zhuān)家、學(xué)者嘗試將幾種方法結(jié)合起來(lái)使用,獲得了令人滿(mǎn)意的效果,如FFT-小波變換、FFT-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換-HHT、小波變換-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
1.7 其他諧波檢測(cè)法
卡爾曼濾波能夠跟蹤時(shí)變信號(hào),抗噪能力強(qiáng),近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于諧波檢測(cè)領(lǐng)域。有學(xué)者結(jié)合線(xiàn)性卡爾曼濾波和鎖相環(huán)技術(shù)將強(qiáng)噪聲進(jìn)行濾除,提高了光學(xué)電流互感器(OCT)輸出的信噪比。有學(xué)者對(duì)卡爾曼濾波進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)利用廣義平均法計(jì)算出基波和諧波的幅值、頻率、相角,計(jì)算量小,總瞬態(tài)延時(shí)小于半個(gè)時(shí)間周期。
工業(yè)生產(chǎn)中的電弧爐是一種非線(xiàn)性、間歇性負(fù)載,它不僅會(huì)產(chǎn)生豐富的諧波和間諧波,同時(shí)還會(huì)帶來(lái)電壓波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)電弧爐負(fù)載進(jìn)行諧波的精確檢測(cè)一直以來(lái)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。
針對(duì)超諧波的檢測(cè)問(wèn)題,有學(xué)者提出了一種壓縮感知正交匹配追蹤(CS-OMP)的檢測(cè)新算法,該方法能夠克服離散傅里葉變換(discrete Fourier transform, DFT)算法嚴(yán)重的頻譜泄漏現(xiàn)象。
表1為兩種算法檢測(cè)性能比較,在19kHz和71kHz處DFT出現(xiàn)了兩條譜線(xiàn),泄漏嚴(yán)重。有學(xué)者對(duì)兩種不同的超諧波發(fā)射頻域測(cè)量方法進(jìn)行了比較,得到影響測(cè)量結(jié)果的參數(shù),為后續(xù)解決超諧波檢測(cè)問(wèn)題提供了幫助。
表1 CS-OMP和DFT算法檢測(cè)性能比較
2.1 發(fā)展趨勢(shì)
盡管傳統(tǒng)的諧波檢測(cè)理論已經(jīng)趨于完善,但隨著實(shí)際應(yīng)用的不斷深入,各種算法的缺陷不斷暴露出來(lái),傳統(tǒng)的單一檢測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)日益復(fù)雜的諧波檢測(cè)要求,在原有算法的基礎(chǔ)上引入新方法,對(duì)某些計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,或者利用幾種方法相互配合來(lái)克服單一檢測(cè)算法的缺陷,是諧波檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
另外,隨著大量分布式能源的接入以及高壓直流輸電的大量投入,電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)諧波檢測(cè)的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求,采用圖形處理器(graphic processing unit, GPU)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)分析、處理也是將來(lái)諧波檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)之一。在價(jià)格上GPU比FPGA更便宜,同時(shí)GPU可以處理高級(jí)語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加容易、省時(shí),如MSRF+KF、MSRF+ES算法結(jié)合GPU加速技術(shù)。
最后,超諧波引發(fā)的電能質(zhì)量問(wèn)題也逐漸受到了人們的重視,由于超諧波的頻率非常高(2~150kHz),所以對(duì)于采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析以及壓縮采樣技術(shù)提出了很高的要求,同時(shí)在測(cè)量分析方法上還未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,導(dǎo)致性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在著差異。可以預(yù)見(jiàn),超諧波檢測(cè)問(wèn)題將成為電能質(zhì)量關(guān)注的新焦點(diǎn)。
2.2 展望
對(duì)于諧波檢測(cè)領(lǐng)域,提出以下幾點(diǎn)展望:
與諧波相關(guān)的問(wèn)題一直以來(lái)都是電力系統(tǒng)的熱門(mén)研究課題之一,最終目的都是為了抑制諧波,諧波的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)將直接關(guān)系到抑制諧波的效果。盡管當(dāng)前工程實(shí)際應(yīng)用中許多主流方法已經(jīng)滿(mǎn)足要求并且得到了廣泛應(yīng)用,但隨著電能質(zhì)量要求的不斷提高,研究高性能指標(biāo)的諧波檢測(cè)算法依然有著現(xiàn)實(shí)意義。另外,隨著電力系統(tǒng)的電力電子化,產(chǎn)生了一些新問(wèn)題,亟待人們?nèi)パ芯亢徒鉀Q。