凌華科技PCI-9846高速數字化儀在諧波檢測中的應用

? ?　應用領域：

　　電力系統電壓諧波、間諧波、高頻諧波等檢測

　　解決的問題：

　　隨著新能源的發展和大量新技術新產品在電力系統中的應用，電力系統中諧波污染面臨越來越嚴峻的形式。光伏發電雖給新能源開發帶來前景，但其并網逆變器產生諧波也不容忽視。風力發電中變頻器的有限開關頻率使得風電機組輸出電流畸變，也會對系統產生諧波影響。大量新技術的應用，如非線性負荷的電動汽車充電站，其接入系統后會使電流發生畸變產生大量諧波。還有，目前高速發展的電氣化鐵路，雖然，交-直-交型機車在低頻諧波有了很好的改善，但其50次以上甚至更高次以上的高頻諧波比其它類型的機車產生的多，這些高頻諧波不僅對電力系統有嚴重影響，而且對機車自身也構成危害。

　　精確測量諧波含量和科學分析諧波影響，不僅為諧波的進一步治理提供依據，而且也為電力系統的和諧發展提供保障。

　　解決方案：

　　諧波檢測方法，采用傳統的FFT獲取各次諧波信號的幅值和頻率，用加窗函數的辦法減小頻譜泄漏，通過插值消除柵欄效應引起的誤差?？朔钦麛荡沃C波檢測存在頻譜泄漏和柵欄現象等缺點。文中采用Blackman窗函數在Matlab中建立諧波分析函數，對FLUKE6100A諧波源產生的諧波、間諧波和高頻諧波等，以凌華科技PCI-9846高速數字化儀作為數據采集工具，通過對諧波、間諧波和高頻諧波的實驗分析，驗證諧波函數和采用PCI-9846作為分析采集工具的可行性和正確性。PCI-9846高達20MHz寬動態范圍輸入的信號處理能力，在處理電力系統中的高頻諧波中得到了充分發揮。

　　凌華科技PCI-9846高速數字化儀在諧波檢測中的應用

　　1、應用背景

　　1.1 電力系統諧波及劃分

　　諧波干擾一般由非線性電壓或電流特性的設備產生。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意，當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。目前，電力系統的諧波電壓源和電流源可以分為以下三類設備：①磁芯設備，如變壓器、電動機、發電機等；②電弧爐、弧焊機、高壓放電管等；③電子設備和電力電子設備。

　　在實際的電網系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。這種非正弦周期性波形可傅立葉級數分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波，諧波頻率是基頻的整倍數。電網中有時也存在間諧波、次諧波和高頻諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。

　　在電磁兼容EMC中（Electro Magnetic Compatibility）定義低頻范圍（0～9kHz）。諧波、間諧波、次諧波以及高頻諧波劃分如下表。

　　表1 諧波與頻率范圍

　　1.2 諧波危害

　　諧波的危害，是全面的、深層次的，比如：

　　1）諧波對電網中變壓器、電容器組、線路和旋轉電機的危害，主要是引起設備故障、附加損耗、發熱以及降低設備的使用壽命。

　　2）諧波會造成保護系統和控制電路的誤動作。諧波在電網中引起的諧振，會造成諧波電壓升高，諧波電流增大，造成設備損壞和引起繼電保護和控制電路的誤動。如諧波在負序（基波）量的基礎上產生的干擾，會影響各種以負序濾過器為啟動元件的保護及自動裝置系統。

　　3）諧波會造成測控儀表的不精確，不僅影響計量的準確性，而且對控制系統產生嚴重干擾。

　　4）諧波超過一定程度，不僅影響電子設備的正常工作，還會對其造成損壞。如，諧波會縮短白熾燈的壽命和引起熒光燈故障。

　　1.3 諧波檢測方法

　　諧波檢測的精度和動態響應速度與檢測方法密切相關，諧波檢測方法的發展方向是高精度、高速度和高實時性，目前常見的諧波檢測方法按原理可分為：

　　1）基于傅里葉變換的諧波檢測方法，較多的是采用DFT或FFT獲取各次諧波信號的幅值、頻率和相位。在測量時間是信號周期的整數倍并滿足采樣定理的情況下，DFT和FFT檢測精度高、實現簡單、使用方便，但由于計算量大，實時性受限制，對非整數次諧波的檢測存在頻譜泄漏和柵欄現象等缺點，為了減小頻譜泄漏，常用的方法是在諧波分析運算前增加窗函數。

　　2）采用人工神經網絡的檢測方法，目前已有多種采用人工神經網絡的諧波檢測方法提出。目前對人工神經元網絡的研究很多是仿真性研究，其硬件實現的研究還是一個比較薄弱的環節，其實用價值還待進一步發展。

　　3）基于小波分析的諧波檢測方法，小波分析作為時域分析的重要工具，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時域完全無局部化的缺點，在頻域和時域同時具有局部性，能算出某一特定時間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解成不同頻率的信號塊。

　　4）基于瞬時無功功率的諧波檢測方法，目前廣泛應用在有源電力濾波器方案中，其實時性好，延時小，如在檢測諧波電流時，因被檢測對象電流中諧波的構成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但延時最多不超過一個電源周期。對于電網中典型三相整流橋諧波源，其檢測的延時約為1/6周期，具有很好的實時性。

　　5）自適應諧波檢測方法，自適應能力好，能較好跟蹤檢測且精度較高，但動態響應慢，目前針對自適應諧波檢測方法的研究不僅在軟件仿真方面，而且在硬件電路實現上日益深入。

　　6）模擬濾波器法，作為早期的諧波電流檢測方法，由于難設計、誤差大、對電網頻率波動和電路元件參數敏感等，目前已很少使用。常用的模擬濾波器方法有，通過濾波器去除基波分量，得到諧波分量或使用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量。