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论电力系统谐波测量和分析方法

作者：田静 朱珂 王茜

来源：《科学与信息化》2017年第28期

摘 要 在供电系统中产生谐波根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称为非线性负荷）供电的结果。这些非线性负荷在工作中时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。为了更好提高电力系统的供电质量，就需要我们积极探讨电力系统谐波相关问题，鉴于此情况，本文针对电力系统谐波测量和分析方法进行相关探讨。

关键词 电力系统；谐波；测量 前言

纵观现代经济的发展和时代的进步，可以发现电力资源已经是当代社会生产生活最重要的资源了为了保证电力系统安全稳定的运行，电力参数的监测显得尤为重要，随着电力电子技术的发展及其广泛应用，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全运行构成的潜在威胁日趋严重，谐波污染已被认为是电网的一大公害，引起世界各国的高度重视，故此本文分析一下电力系统谐波测量和分析方法。 1 谐波危害

（1）谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。

（2）谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。 （3）谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。 （5）谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。

（6）谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

（7）谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。

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（8）谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱[1]。 2 谐波测量方法

2.1 采用模拟滤波器测量谐波

最早的谐波测量是采用模拟带通或带阻滤波器实现的，其原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。模拟滤波器有两种，一是通过滤波器滤除基波电压电流分量，得到谐波电压电流分量；二是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电压电流相减后得到谐波电压电流分量。但该方法测量误差大、实时性差，对电路元件参数十分敏感，受外界环境影响较大。

2.2 基于傅立叶变换的谐波测量

基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最广泛的一种方法。该方法用快速傅立叶变换（简称FFT）获取各次谐波的幅值、频率和相位，当测量时间是信号周期的整数倍和测量频率大于Nyquist频率时，测量精度高、实现简单、功能多且使用方便。其缺点是需要一定时间的采样值，且需进行两次变换，计算量大，测量结果实时性差。而且当测量时间不等于信号周期的整数倍或对无限长信号进行截断测量时，FFT算法会产生频谱泄露和栅栏效应，使测量出的谐波幅值、相角和频率有较大误差，不能满足测量精度的要求。还有一种利用非整周期采样数据及泰勒级数展开原理，估计理想的整周期采样序列，产生修正值，可以在不增加硬件设备及采样数据的前提下提高谐波分析精度[2]。 2.3 基于神经网络的谐波测量

人工神经网络（ANN）具有很强的学习能力，已成功应用于谐波源的辨识与谐波测量。例如有源电力滤波器神经元自适应谐波电流检测方法，给出了模拟电路实现方案，提高了检测速度。另外还有一种基于自适应神经网络和基于多层前馈网络的两种谐波测量方法，仿真研究结果证明了所提方法为有源滤波器谐波电流的检测提供了一条新途径。 2.4 基于小波变换的谐波测量

小波分析是时域分析的主要工具，它具有计算精度高，既可以分析稳态信号，也可以分析暂态时变信号的特点，已成为电力系统谐波测量中新的研究方向。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，特别适合于突变信号和不平稳信号的分析，可以准确把握信号的局部细节，因而通过小波变换，可以准确地求出基波电流，进而求取谐波。对基于MALLAT算法、小波包变换、连续小波变换、复小波变换、自适应小波的谐波测量方法进行了分析和研究，表明将小波分析应用于谐波问题，在时滞与计算方面有一定的优势，正逐渐成为谐波检测中的热点和突破口[3]。

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3 谐波抑制方法分析

电网中谐波的抑制多数采用无源电力滤波器来实现的。它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，成本较低，技术成熟。但这种方法的主要缺点如下：滤波性能受系统参数的影响较大；只能抑制按设计要求规定的谐波成分；不能对谐波实现动态补偿；可能与电力系统发生串并联谐振等。目前谐波抑制的一个重要趋势是采用电力电子装置对谐波进行抑制，即采用有源电力滤波器技术抑制谐波。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对不断变化的负载谐波电流进行实时的补偿，而不像LC滤波器有强烈的选择性。有源电力滤波器可以弥补无源电力滤波器的缺点，获得比无源电力滤波器更好的补偿效果，是一种较理想的谐波抑制及无功补偿装置[4]。 4 结束语

通过上文的分析，我们加深认识了电力系统谐波测量和分析方法，希望通过本文针对电力系统谐波测量和分析方法的探讨，起到抛砖引玉的作用，引入更多的相关从业人员参与探讨当中，对电力系统谐波测量和分析方法多分析，多探讨，多研究，进而达到集思广益的效果，但是由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望各位不吝指正。 参考文献

[1] 陈冬红.电力系统谐波测量和分析方法研究[D].南京：河海大学，2005.

[2] 唐岩.电力系统谐波测量方法简述[J].青海大学学报（自然科学版），2005，（01）：45-48.

[3] 张旭东，李广超，代瑞，等.基于神经网络的电力系统谐波测量方法研究[J].技术与创新管理，2013，（03）：251-253，261.

[4] 刘静.基于DSC电力系统谐波测量方法的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2012.