諧波抑制多諧波源的諧波技術(shù)分析

白 偉

（運城職業(yè)技術(shù)大學 山西 運城 044000）

1 引言

在智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和普及下，通過利用多諧波源諧波技術(shù)，為最大限度地提高電力系統(tǒng)的運行性能產(chǎn)生積極的影響，不僅可以從根本上解決電力系統(tǒng)的波形畸變問題，還能提高電力電子裝置的運行性能，為解決電網(wǎng)諧波三相不平衡現(xiàn)象提供重要的技術(shù)支持[1]。因此，為了保證諧波抑制效果，如何科學地分析和應用多諧波源的諧波技術(shù)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

2 諧波的危害

諧波的出現(xiàn)通常會對整個電網(wǎng)產(chǎn)生極大的危害，其危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）當導體內(nèi)部流入相應的諧波電流時，很容易出現(xiàn)附加損耗現(xiàn)象，追根究底，集膚效應的出現(xiàn)導致交流電阻與交流頻率之間存在以下關(guān)系，即前者隨著后者的上升而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。所以，一旦出現(xiàn)諧波電流現(xiàn)象，將會增加損耗嚴重程度。此外，諧波的出現(xiàn)在某種程度上會導致鐵介質(zhì)磁場出現(xiàn)嚴重的鐵耗現(xiàn)象，同時，在交流頻率的不斷增加下，這種作用會變得越來越明顯，嚴重影響了設備的使用壽命。（2）在某一基波位置處，諧波電壓一旦出現(xiàn)嚴重疊加現(xiàn)象，導致絕緣介質(zhì)應力大幅度上升，使得絕緣老化效率不斷加快，進而縮短了設備的使用壽命。（3）諧波的出現(xiàn)除了直接影響電纜、換流設備的運行性能外，還對通信線路的內(nèi)部信號產(chǎn)生了一定的干擾作用，此外，還會引發(fā)周圍環(huán)境的電磁兼容問題。由此可見，諧波具有較高的危害性，給整體電網(wǎng)運行產(chǎn)生了不良的影響。

3 抑制諧波的傳統(tǒng)方法

比較常用的抑制諧波傳統(tǒng)方法主要包含以下兩種，一種是加裝無源濾波器，另一種是加裝有源濾波器，這兩種方法均在抑制諧波方面發(fā)揮出一定的作用，現(xiàn)對這兩種方法進行全面介紹，便于后期對多諧波源利用諧波抑制諧波原理的理解和應用。

3.1 加裝無源濾波器

無源濾波器內(nèi)部主要包含電容器等多種無源器件，與所補償?shù)姆蔷€性負載之間存在著密切的并聯(lián)關(guān)系，它的出現(xiàn)和使用除了可以為諧波提供一個穩(wěn)定、可靠的低阻通路外，還能根據(jù)負載特點，提供與之相對應的無功功率。盡管無源濾波器在實際使用中，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點，但是，也存在一定的缺陷問題。如：濾波特性對系統(tǒng)參數(shù)設置情況產(chǎn)生一定的依賴關(guān)系；僅僅用于對特定諧波的有效消除，無法實現(xiàn)對全部諧波的消除，增加串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振風險，導致單次諧波程度不斷加大，容易引發(fā)濾波器過載現(xiàn)象等。

3.2 加裝有源濾波器

1969年，Bird和Marsh等人首次提出了諧波成分，該諧波成分除了可以向電網(wǎng)中多次注入相應的諧波電流外，還能削弱電源系統(tǒng)性能，這就是著名的“電力有源濾波器”現(xiàn)象。1976年，某位學者首次提出有源濾波器（簡稱“APF”），APF作為一種常用的波形發(fā)生器，主要利用相關(guān)算法，對諧波電流變化情況進行科學、有效的分析和檢測，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)，負荷側(cè)諧波電流與諧波、電流方向相反、大小相同，從而起到一定的補償作用。20世紀80年代，隨著全控型功率器件不斷改進和發(fā)展，其結(jié)構(gòu)變得越來越穩(wěn)定、成熟。隨著脈寬調(diào)制控制技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過利用瞬時無功功率相關(guān)理論，可以實現(xiàn)對諧波電流的精確化、全面化檢測和分析，從而促使APF得以快速發(fā)展和普及。與無源濾波器相比，有源濾波器主要包含以下兩個特性，一個是高度可控制特性，另一個是快速響應特性。同時，通過利用有源濾波器，可以實現(xiàn)對多次諧波無功功率的有效化跟蹤和補償，其特性表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，不會被系統(tǒng)所影響。對于無諧波而言，經(jīng)常出現(xiàn)放大風險，具有體積重量小等特點，但是，全控型功率器件存在生產(chǎn)成本低、重量輕等特點，會對有源濾波器的應用效果產(chǎn)生不良的影響。目前，有源濾波器在日本得以有效推廣和普及。此外，通過利用混合濾波方法，可以對兩種不同的濾波器應用優(yōu)勢進行有效分析和兼顧，以達到取長補短的作用，從而最大限度地提高整個濾波裝置的性價比，從而贏得更多用戶的喜愛和青睞。

4 多諧波源利用諧波抑制諧波的原理

從有源濾波器的應用原理可以看出，通過借助多諧波源，可以實現(xiàn)對諧波的精確化、科學化抑制。在這個過程中，看借助所輸入的特定諧波，將非正弦諧波進行優(yōu)化和改進，同時，還要根據(jù)頻譜的穩(wěn)定性，借助干擾抵消器，對諧波進行抑制處理，此外，對于多諧波源而言，內(nèi)部的非線性負荷不同，所對應的諧波電流也存在一定的差異，為此，技術(shù)人員要依據(jù)多諧波源的“相互抵消”原理，對諧波的投切時間進行科學調(diào)整和控制，確保各類非線性負荷所形成的諧波可以實現(xiàn)大規(guī)模抵消，為保證諧波抑制效果，降低諧波危害打下堅實的基礎。此外，還要利用有源濾波器的“抵消”原理，對其投入時間和切入時間進行科學化控制和調(diào)整，確保非線性負荷所形成的諧波量被最大化地抵消，使得諧波危害降到最低。為了更好地驗證該原理的可靠性和有效性，技術(shù)人員要在科學構(gòu)建Matlab環(huán)境的前提下，搭建相應的系統(tǒng)模型，該模型內(nèi)部含有大量的非線性元件，以實現(xiàn)對該原理的有效驗證。

5 多諧波源諧波技術(shù)分析

5.1 快速獨立分量分析算法原理

通過利用多諧波源諧波技術(shù)，可以實現(xiàn)對諧波互信息特征的全面化、完整化提取，在對諧波互信息特征進行提取期間，技術(shù)人員要重視對獨立分量分析算法原理的應用。電力系統(tǒng)自身往往會形成大量的諧波[2]，導致整個系統(tǒng)的運行方式表現(xiàn)出一定的隨機性、復雜性和不穩(wěn)定性，從而形成大量的諧波信號，這些諧波信號主要由以下幾個部分組成，分別是基波、間隙波、諧波等。諧波源不同，所形成的電流頻率和電量相位也存在一定的差異。為此，提出一種快速獨立分量分析算法[3]，該算法原理如下：通過采用分離檢測的方式，對諧波電流頻率進行科學檢測，一旦發(fā)現(xiàn)信噪比不斷降低時，需要嚴格按照如圖1所示的諧波檢測過程，精確地計算出諧波所對應的最大誤差，以達到提高諧波檢測精確度的目的。

圖1 諧波檢測過程

5.2 多諧波源諧波互信息特征提取方法

諧波互信息特征可以真實、形象地反映出高維數(shù)據(jù)特征，這是由于這兩種特征具有一定的相通性，因此，技術(shù)人員要重視對諧波互信息特征的提取和應用，進一步提高多諧波源諧波電流頻率分析結(jié)果的精確性和真實性。此外，通過借助多個諧波源之間的相互作用，可以將諧波危害降到最低。當配電網(wǎng)所對應的諧波電壓頻率是未知的，可以借助諧波電壓采樣矩陣，精確地計算和統(tǒng)計諧波電流幅值。此外，當諧波電流幅值和初相角兩個參數(shù)始終保持一致時，諧波電流頻率會隨著時間的不斷延長而呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，對于行元素而言，主要與諧波電流幅值之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

5.3 矩陣降維取秩判斷諧波互信息

在應用多諧波源諧波技術(shù)期間，為了保證諧波互信息特征的精確化提取，技術(shù)人員要采用矩陣降維分析法，以實現(xiàn)對諧波互信息的精確提取和分析，矩陣所對應的行元素和列元素具有較高的互信息性，可以實現(xiàn)這些諧波互信息的相互抵消。諧波電壓在實際的采樣中，需要借助矩陣，直接抵消處理電壓采樣值，此外，諧波源類型不同，所對應的電流頻率、電流幅值、電流相角等參數(shù)也存在一定的差異，為了保證諧波相互抵消效果，降低諧波危害，實現(xiàn)對諧波的有效抑制，技術(shù)人員要根據(jù)諧波電流頻譜特性，將諧波電流頻率與其幅值進行一一對應，從而解決諧波危害問題。在此基礎上，還要采用奇異值分解法，精確地求解出矩陣所對應的有效秩，只有這樣，才能精確地判斷和計算出諧波源的個數(shù)。另外，還要充分利用諧波互信息，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行精確描述，從而得出諧波電流頻率、電流幅值、電流相位等參數(shù)，當多個不同的諧波源出現(xiàn)相互作用和影響后，可以將諧波互信息視為多個量的重復疊加，然后，對矩陣進行一系列的初等變換，同時，對降維處理后的矩陣元素進行不斷疊加處理，并對其求和，以保證諧波計算結(jié)果的精確性和真實性。由此可見，為了最大限度地降低諧波源的不確定性，技術(shù)人員要全面分析和把控諧波狀態(tài)，為后期科學地優(yōu)化和改進濾波器提供重要的依據(jù)和參考。

6 多諧波源諧波技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用實例

現(xiàn)以“某供電局10 kV配電網(wǎng)”為例，對本文所提出的諧波信息特征提取方法的可行性和有效性進行驗證。首先，采用輻射的方式[4]，向電力系統(tǒng)提供源源不斷的電能，同時，將系統(tǒng)基準容量設置為99 MV·A，通過借助三相三線制作方式，將額定頻率控制為49 Hz，所使用接線方式主要包含以下兩種，一種是放射狀接線，另一種是環(huán)式狀接線，10 kV電力系統(tǒng)運行圖如圖2所示，從圖2中可以看出，該配電網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出混合狀態(tài)，一旦出現(xiàn)諧波潮流現(xiàn)象，將會直接影響整個電網(wǎng)性能[5]，為此，通過利用MatIab/PoweSimulink仿真平臺，構(gòu)建多種不同類型多諧波源諧波仿真數(shù)學模型，并對電力系統(tǒng)運行情況進行仿真分析。

圖2 10 kV電力系統(tǒng)運行圖

多諧波源通常會形成一定的諧波相互作用，導致研究對象出現(xiàn)不確定性大、特征多樣復雜、關(guān)聯(lián)耦合現(xiàn)象嚴重等問題。針對多諧波源所對應的諧波電流矢量，精確地計算出各個諧波源在單獨運行時所形成的諧波電流，當諧波源數(shù)量不斷增加時，諧波電流之間相互抵消可能性不斷增加，這就導致相互抵消效果變得更加明顯。本文重點分析和研究了配電網(wǎng)典型多諧波源，該諧波源主要包含以下三種母線[6]，分別是母線6、母線11、母線12，多諧波源所形成的諧波在以上三種母線上均會產(chǎn)生相互影響機理，然后，在全面采樣多諧波源諧波電流的基礎上，對母線7所對應的諧波源諧波互信息進行自動化提取，對于配電網(wǎng)而言，一旦其多諧波源母線6出現(xiàn)不確定諧波，需要借助相關(guān)變壓器，對諧波進行多次處理[7]，同時，還要將母線12設置為電力負荷裝置，該裝置具有一定的非線性特點[8]，此外，還要利用母線11所對應的分布式發(fā)電電源，根據(jù)電力設備的使用需求，向電力系統(tǒng)提供海量的諧波。另外，技術(shù)人員要根據(jù)如表1所示的線路相諧波電流有效值，將母線6、母線11、母線12的基波電流有效值分別設置為210.659 A、389.693 A、258.465 A。

表1 線路相諧波電流有效值

通過利用GB/T14549—93電網(wǎng)諧波所對應的諧波限值，發(fā)現(xiàn)當配電網(wǎng)所對應的電壓等級達到10 kV時，電壓總畸變率較低，低于4%，此外，當奇次諧波所對應的畸變率小于3.2%時，整個配電網(wǎng)多諧波源所形成的諧波含有大量的奇次諧波[9]，奇次諧波所對應的污染次數(shù)分別為3、5、7、11、13、15，此時，電力系統(tǒng)所含有的奇次諧波出現(xiàn)嚴重超標現(xiàn)象，為此，需要采用獨立分量分析法，對多諧波源諧波電流進行一系列采樣，以實現(xiàn)對多諧波源諧波互信息特征的全面化、完整化提取。在此基礎上，還要利用MatIab/PoweSimulink仿真平臺，完成對多諧波源諧波電流波形圖的繪制[10]。由此可見，本文所提出的諧波互信息特征提取方法具有較高的可靠性和可行性，可以實現(xiàn)諧波問題的精確化控制和處理。

7 結(jié)語

綜上所述，通過將多諧波源諧波技術(shù)科學應用于電力系統(tǒng)中，不僅可以保證系統(tǒng)諧波抑制效果，還能實現(xiàn)對諧波互信息特征的快速化提取，同時，還能精確地計算諧波相互交互后最終諧波值，為實現(xiàn)對電網(wǎng)質(zhì)量的自動化控制提供有力的保障。本次研究所獲得的結(jié)論如下：①通過將奇異值分解法與快速獨立分量分析法進行充分結(jié)合，可以實現(xiàn)對諧波互信息特征的科學化、規(guī)范化提取，同時，通過借助互信息梯度的靈活性特征，可以確保諧波函數(shù)向非線性方向不斷轉(zhuǎn)化，便于后期諧波互信息特征分析和提取工作的有效開展，另外，通過采用仿真分析的方式，對本文所提出的提取方法進行驗證，發(fā)現(xiàn)該方法具有一定的正確性、規(guī)范性。此外，通過利用本文所提出的算法，可以有效地解決傳統(tǒng)算法存在的運算性能低下等問題，實現(xiàn)對源信號頻率的穩(wěn)定化、科學化分離以及源信號幅值和相位的精確化預估。②多諧波源不同，所對應的諧波互信息特征存在一定的差異性，為此，通過全面地分析和研究其諧波互信息特征，可以確保諧波經(jīng)過相互交互后，保證諧波計算結(jié)果的精確度和真實性，實現(xiàn)對濾波裝置自動化控制發(fā)揮重要作用。由此可見，多諧波源諧波技術(shù)憑借著自身的獨特優(yōu)勢，被廣泛應用于電力系統(tǒng)設計領域中，有效地解決電力系統(tǒng)內(nèi)部諧波危害問題，為促進電力行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。