民用建筑電氣間諧波檢測問題的研究

薛 巍 薛小峰

(1.山東泰開箱變有限公司，山東 泰安 271000; 2.泰安青年汽車有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

隨著民用建筑電氣系統(tǒng)的發(fā)展，間諧波問題越來越引起人們的關(guān)注［1-7］。間諧波是指那些頻率是基波頻率非整數(shù)倍的干擾分量。民用電氣系統(tǒng)中存在一些時(shí)變負(fù)荷，如含有鐵磁材料的電工設(shè)備。這類負(fù)載的電氣特性是隨時(shí)間變化而變化的，根據(jù)流經(jīng)該負(fù)荷的電流分解的傅立葉級(jí)數(shù)，可能不是基波的整數(shù)倍諧波，而是它的分?jǐn)?shù)諧波(fractional harmonics)，稱之為非整次諧波(noninteger harmonics)或間諧波(inter harmonics)。而低于工頻的間諧波，通常稱為次諧波(sub harmonics)。間諧波現(xiàn)象正受到人們的日益重視。IEC61000-2-1將間諧波定義為在電壓和電流信號(hào)的諧波之間頻率與基波頻率不成整數(shù)倍關(guān)系的信號(hào)。電焊機(jī)、電弧爐等設(shè)備是傳統(tǒng)的間諧波產(chǎn)生源，帶AC/DC或DC/AC變換器的各種電力電子設(shè)備，如變頻器、串級(jí)調(diào)速裝置等，逐步成為新的間諧波發(fā)生源。間諧波的存在給民用建筑電氣系統(tǒng)的運(yùn)行、保護(hù)和控制帶來非常大的危害。頻率高于基波頻率的間諧波會(huì)干擾音頻設(shè)備正常工作，引起感應(yīng)電機(jī)噪聲和振動(dòng)等;頻率低于基波頻率的間諧波會(huì)引起電壓閃變，低頻繼電器的異常運(yùn)行等等。

可靠、準(zhǔn)確的間諧波檢測是合理評(píng)價(jià)間諧波危害、有效治理間諧波污染的重要前提條件。由于間諧波往往具有非平穩(wěn)和頻率隨機(jī)等特性，用傳統(tǒng)方法難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。間諧波檢測已經(jīng)成為制約深入研究和有效治理間諧波的瓶頸問題。

1 間諧波檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

基于傅立葉變換的傳統(tǒng)間諧波檢測方法建立在信號(hào)整周期采樣的基礎(chǔ)上，檢測間諧波時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的頻譜泄漏和柵欄誤差，不能滿足間諧波檢測精度要求。加窗插值傅立葉方法雖然能夠減少頻譜泄漏并有效地抑制間諧波之間的干擾，但是該方法頻率分辨率低，即要求的采樣數(shù)據(jù)時(shí)窗長，導(dǎo)致該方法實(shí)時(shí)性較差，特別不適合用來分析非平穩(wěn)的、參數(shù)隨時(shí)間變化的間諧波。國際電工委員會(huì)在IEC標(biāo)準(zhǔn)61000-4-7中根據(jù)Parseval定理針對(duì)間諧波檢測引入群和子群的方法［8］，但是該方法仍然存在頻率分辨率低的問題。近年來一些基于現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的方法被用于間諧波檢測:Prony間諧波檢測方法建立在復(fù)指數(shù)信號(hào)線性組合模型的基礎(chǔ)上，可以提供較高的頻率分辨率，但是其噪聲敏感性限制了該方法的廣泛應(yīng)用;迭代DFT方法建立在信號(hào)核函數(shù)變換的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的頻率分辨率，但是該方法需要進(jìn)行逆矩陣的迭代運(yùn)算，計(jì)算量非常大。自適應(yīng)陷波濾波器通過自動(dòng)修正濾波器參數(shù)來實(shí)現(xiàn)高分辨率間諧波檢測，但是該方法也存在暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間長、頻率分辨率低的問題。

2 間諧波檢測技術(shù)的展望——子空間方法

子空間方法建立在信號(hào)自相關(guān)矩陣特征分解的基礎(chǔ)上，其頻率分辨率不受采樣數(shù)據(jù)窗長度的限制，為間諧波檢測提供了一種新的途徑。該方法最早由Pisarenko提出，他注意到自相關(guān)矩陣最小特征多項(xiàng)式z變換的零點(diǎn)與信號(hào)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。后續(xù)的相關(guān)工作表明信號(hào)自相關(guān)矩陣的特征向量可以劃分噪聲子空間和信號(hào)子空間，這些子空間與被測信號(hào)存在一定的物理相關(guān)性和數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果能夠把噪聲子空間和信號(hào)子空間的信息有機(jī)結(jié)合起來，研究這些子空間與被測信號(hào)的物理相關(guān)性，確定子空間與間諧波參數(shù)的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究基于這些數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系的高分辨率間諧波檢測方法，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)間諧波的準(zhǔn)確、可靠檢測。

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［7］EN50160，Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution system［S］.

［8］Testing and Measurement Techniques-GeneralGuide on Harmonics and Interharmonics measurements and Instrumentation，for Power Supply Systems and Equipment Connected Thereto，IEC Std.61000-4-7，2002.