基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制研究

鄭 澤，陳彩微，陳小曼

(1.浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)工學(xué)院，浙江 溫州 325600；2.溫州大學(xué) 商學(xué)院，浙江 溫州 325600)

0 引言

諧波是一種頻率高于基波的電信號(hào)，可以由電力電子設(shè)備，電弧爐，照明負(fù)載等產(chǎn)生。當(dāng)這些諧波信號(hào)進(jìn)入電網(wǎng)時(shí)，它們會(huì)造成電能損耗和設(shè)備故障，甚至?xí)?duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性和電力質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了減少諧波對(duì)電力系統(tǒng)的不良影響，許多國(guó)家都出臺(tái)了相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，要求電力設(shè)備的諧波排放應(yīng)該符合一定的限制要求。原因在于電力諧波的存在會(huì)導(dǎo)致電壓和電流發(fā)生變化，將會(huì)產(chǎn)生許多不可控的災(zāi)害，影響設(shè)備的使用安全。首先，諧波會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備元件運(yùn)行效率的持續(xù)下降，從而使變壓器、電機(jī)等電損壞；其次，諧波會(huì)誘發(fā)電氣設(shè)備的異常工作狀態(tài)，使電機(jī)設(shè)備在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出共振行為；此外，諧波還有可能增大電氣儀表的測(cè)量誤差，這也是導(dǎo)致整流型繼電器出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作的主要原因[1]。特殊情況下，諧波還會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)耦合或是電磁感應(yīng)的方式對(duì)電網(wǎng)終端設(shè)備造成影響，從而使其失去穩(wěn)定供電的能力。更為嚴(yán)重的是，并聯(lián)型電容器作為主要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，在諧波影響下會(huì)出現(xiàn)電容阻抗大幅減小、電感阻抗大幅增加的情況，這就增大了串、并聯(lián)諧振行為的發(fā)生概率。當(dāng)諧振行為達(dá)到一定強(qiáng)度水平后，電容器加速老化，嚴(yán)重情況下甚至有可能出現(xiàn)過(guò)熱燒毀[2]。因此，有效抑制諧波，使其呈現(xiàn)出穩(wěn)定的周期性變化規(guī)律，才能夠保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)室也是進(jìn)行新技術(shù)研發(fā)和測(cè)試的重要地方，因此實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制的研究備受關(guān)注。實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制的研究還涉及以下幾個(gè)方面。首先，由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有許多電子設(shè)備和電源，這些設(shè)備之間會(huì)相互干擾，產(chǎn)生諧波信號(hào)，造成抑制效應(yīng)，這會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)試的可靠性產(chǎn)生不良影響。其次，諧波波形的波動(dòng)特性非常復(fù)雜，不同頻率的諧波波形的幅度和相位的變化規(guī)律不同，這使得實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制變得更加困難。然后，實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制需要高精度的控制方法，可以確保所控制的電力設(shè)備排放的諧波深度在一定范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所，一些高精度實(shí)驗(yàn)對(duì)于供應(yīng)電源穩(wěn)定性的要求相對(duì)較高，為更好完成這些實(shí)驗(yàn)，對(duì)電量諧波進(jìn)行有效控制成為了一項(xiàng)亟待解決的應(yīng)用難題?；陔妶?chǎng)耦合法的諧波檢測(cè)與控制方法主要是根據(jù)電場(chǎng)耦合原理，測(cè)得大量的電壓諧波信號(hào)，又聯(lián)合Hanning窗算法與快速傅里葉變換思想，對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行處理，并推導(dǎo)電量諧波的數(shù)值穩(wěn)定區(qū)間，以此實(shí)現(xiàn)諧波的穩(wěn)定控制[3]?；诟袘?yīng)電能供電技術(shù)的諧波控制方法根據(jù)譜投影梯度算法原則重構(gòu)原始諧波信號(hào)，通過(guò)插值修正處理的方式計(jì)算電量頻譜發(fā)生異常的可能性，在確保避開所有可能區(qū)間的情況下，定義電量諧波的數(shù)值穩(wěn)定區(qū)間，以此實(shí)現(xiàn)諧波的穩(wěn)定控制[4]。然而上述兩種方法難以確定實(shí)驗(yàn)室用電諧波參數(shù)取值范圍，只能對(duì)電流諧波、電壓諧波進(jìn)行局部穩(wěn)定，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。為解決上述問(wèn)題，提出基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制方法。

1 基于譜序列變換的用電諧波分析

1.1 譜序列變換原則

譜序列變換就是按照信號(hào)譜規(guī)律，對(duì)電量諧波進(jìn)行整合處理，要求處理后諧波信號(hào)在每一波動(dòng)周期內(nèi)的波峰與波谷值都具有高度統(tǒng)一性[5-6]。所謂變換可以理解為依照統(tǒng)一性原則所進(jìn)行的變動(dòng)處理，對(duì)于波峰值、波谷值較大的諧波區(qū)域而言，可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)頻率周期的方式，使超出額定范圍的參數(shù)指標(biāo)回歸正常值范圍，從而使得諧波譜的穩(wěn)定性得到較好保障；對(duì)于波峰值、波谷值相對(duì)較為接近的區(qū)域而言，由于其頻率周期初始賦值相對(duì)較小，若再進(jìn)行縮小處理，有可能造成諧波參量出現(xiàn)相互覆蓋的情況，故而可以通過(guò)適當(dāng)抽取諧波參量的方式，來(lái)拉長(zhǎng)一個(gè)諧波信號(hào)的單位傳輸周期，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)波動(dòng)幅度的有效控制。對(duì)于波峰值、波谷值的求解滿足如下表達(dá)式：

(1)

設(shè)β表示電量諧波振動(dòng)系數(shù)，χ1表示峰值振蕩向量，q1表示峰值振蕩周期，χ2表示谷值振蕩向量，q2表示谷值振蕩周期，聯(lián)立公式(1)，推導(dǎo)電量諧波的譜序列變換表達(dá)式為：

(2)

公式(2)所得數(shù)值等于“1”的情況下，表示峰、谷值頻率完全相等，譜序列變換原則能夠準(zhǔn)確描述出用電諧波的變化規(guī)律，但實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，很難出現(xiàn)理想情況，因此只要計(jì)算結(jié)果與自然數(shù)“1”較為接近，就認(rèn)為用電諧波變化規(guī)律符合譜序列變換原則。

1.2 諧波參數(shù)估算

諧波參數(shù)估算就是在譜序列變換原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)電量諧波曲線的走向形式，對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的指標(biāo)參量進(jìn)行預(yù)測(cè)。通常情況下，估算結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響實(shí)驗(yàn)室主機(jī)對(duì)于用電諧波的控制效果，因此準(zhǔn)確估算諧波參數(shù)，是利用譜序列變換原則分析用電諧波的必要環(huán)節(jié)[7-8]。譜序列變換原則規(guī)定諧波就是具有周期性變化特征的信號(hào)參量，在單位信號(hào)周期內(nèi)，其波動(dòng)行為能力雖然有限，但由于相鄰波段能夠完整拼接在一起，所以諧波參數(shù)具有良好的延續(xù)性。估算用電諧波參數(shù)，首先需要求解譜序列變換原則表達(dá)式的導(dǎo)數(shù)結(jié)果，計(jì)算式如下。

首先需要求解譜序列變換表達(dá)式的導(dǎo)數(shù)結(jié)果，計(jì)算式如下：

(3)

由于實(shí)驗(yàn)室用電諧波向量的取值不具有明確方向性，所以在求解譜序列變換表達(dá)式的導(dǎo)數(shù)結(jié)果時(shí)，應(yīng)在(-∞，+∞)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，電度表只能測(cè)得正向傳輸情況下的電壓與電流數(shù)值，所以公式(2)、公式(3)的最終計(jì)算結(jié)果還必須滿足如下表達(dá)式。

E，E′∈[1，+∞)

(4)

電度標(biāo)示數(shù)為“零”，表示實(shí)驗(yàn)室電力網(wǎng)絡(luò)中不存在電量傳輸行為，即當(dāng)前情況下，用電諧波不具備傳輸能力，所以譜序列變換原則表達(dá)式及其導(dǎo)數(shù)表達(dá)式的最小取值結(jié)果只能等于“1”；當(dāng)譜序列變換表達(dá)式求解結(jié)果趨近于正無(wú)窮時(shí)，用電諧波在一個(gè)行為周期內(nèi)的傳輸能力較強(qiáng)，當(dāng)前情況下，波導(dǎo)向量、傳輸波動(dòng)系數(shù)的實(shí)時(shí)取值有可能不匹配，因此為實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波參數(shù)的準(zhǔn)確估算這一目標(biāo)，需要控制所涉及參數(shù)向量的取值，使得譜序列變換表達(dá)式的實(shí)際計(jì)算結(jié)果盡量保持在中位區(qū)間之內(nèi)。

(5)

如果公式(5)計(jì)算結(jié)果的波動(dòng)性較大，則表示實(shí)驗(yàn)室用電諧波在該傳輸周期內(nèi)的波動(dòng)較為明顯。

2 實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制

根據(jù)譜序列變換原則，調(diào)節(jié)多電平逆變器結(jié)構(gòu)，再利用諧波特性分析與數(shù)字迭代計(jì)算結(jié)果，推導(dǎo)完整的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電諧波特征的提取。

2.1 多電平逆變器

逆變器是負(fù)責(zé)把直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置，由濾波電路、邏輯控制元件、逆變橋裝置共同組成。直流電能長(zhǎng)期存儲(chǔ)于蓄電瓶、電池等電容元件之中，故而其傳輸能力相對(duì)有限，在實(shí)驗(yàn)室用電環(huán)境中，單純的直流電無(wú)法滿足供應(yīng)所有實(shí)驗(yàn)元件的需求，所以為維持用電諧波的穩(wěn)定性，需借助逆變器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)電能信號(hào)的轉(zhuǎn)換[9]。相較于其他類型的變電處理設(shè)備，逆變器元件對(duì)于諧波電量信號(hào)的適應(yīng)性更強(qiáng)，即便是在諧波信號(hào)傳輸深度不斷變化的情況下，該元件結(jié)構(gòu)也可以確保電信號(hào)波動(dòng)行為在單位傳輸周期內(nèi)保持較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)狀態(tài)。為適應(yīng)譜序列變換原則，采用多電平逆變器對(duì)電能信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，定頻定壓狀態(tài)下的電能信號(hào)經(jīng)過(guò)多電平逆變器元件的多次處理，轉(zhuǎn)換成調(diào)頻調(diào)壓狀態(tài)下的交流電信號(hào)，以供實(shí)驗(yàn)設(shè)備元件的調(diào)取與利用。完整的多電平逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多電平逆變器結(jié)構(gòu)圖

U0端作為直流電能輸入端，其電壓水平等于U1、U2之和；U端作為交流電能輸出端，其電壓水平理論上應(yīng)與U0端數(shù)值相等，但由于電量諧波在傳輸過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)一定程度的損耗，所以U端的實(shí)際電壓數(shù)值小于U0端[10]。L1、L2是兩個(gè)完全相同的逆變裝置，可以感知實(shí)驗(yàn)室用電網(wǎng)絡(luò)中的電量諧波傳輸情況，并可以在不影響電信號(hào)傳輸行為的同時(shí)，對(duì)S1端、S2端負(fù)載電壓數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 諧波波動(dòng)特征提取

按照譜序列變換原則來(lái)劃分，可將實(shí)驗(yàn)室用電諧波分為DFT諧波、DSC諧波兩類，為實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波信號(hào)的精準(zhǔn)控制，應(yīng)對(duì)兩類諧波的傳輸特性進(jìn)行細(xì)致分析。

2.2.1 DFT諧波

DFT諧波是指基波頻率不變，但振波頻率始終來(lái)回波動(dòng)的諧波信號(hào)。隨著實(shí)驗(yàn)室用電量的增大，DFT諧波的出現(xiàn)次數(shù)也會(huì)不斷增大，當(dāng)每一振動(dòng)周期內(nèi)都存在至少一個(gè)完整的DFT諧波振動(dòng)波形，因此實(shí)驗(yàn)室用電諧波也是DFT諧波主導(dǎo)的波動(dòng)傳輸信號(hào)[11-12]。一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，DFT諧波的存在數(shù)量越多，就表示電量信號(hào)的傳輸波動(dòng)性越強(qiáng)，即便是在基波頻率不變的情況下，該類型電信號(hào)的諧波傳輸行為也很難保持長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于DFT諧波振動(dòng)特征提取結(jié)果見公式(6)。

(6)

其中：ΔT表示實(shí)驗(yàn)室用電諧波的單位振動(dòng)周期，其取值結(jié)果受到輸入電壓數(shù)值水平的影響，U表示交流電壓數(shù)值，I表示電流數(shù)值，φ表示傳輸波動(dòng)性系數(shù)，γ表示諧波振動(dòng)向量。由于DFT諧波在傳輸過(guò)程中具有明顯的對(duì)稱性，所以單位振動(dòng)周期內(nèi)，只存在一個(gè)完整DFT諧波振動(dòng)波形的可能性相對(duì)較小。

2.2.2 DSC諧波

DSC諧波是指基波頻率來(lái)回波動(dòng)，但振波頻率保持不變的諧波信號(hào)。相較于DFT諧波，DSC諧波的存在具有普遍性，如果連續(xù)兩個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，都不存在DFT諧波，那么實(shí)驗(yàn)室用電諧波就成為了由DSC諧波主導(dǎo)的波動(dòng)傳輸信號(hào)。一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，DSC諧波的存在數(shù)量必須是2的倍數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用電周期內(nèi)存在DSC諧波，那么該波動(dòng)信號(hào)中DSC諧波的最小取值結(jié)果為4[13-14]。設(shè)U′表示存在DSC諧波時(shí)基于譜序列變換原則所測(cè)得的交流電壓數(shù)值，I′表示當(dāng)前測(cè)量情況下的電流數(shù)值，φ′表示當(dāng)前情況下的諧波傳輸深度，γ′表示與DSC諧波匹配的振動(dòng)向量。在上述物理量的支持下，DSC諧波特征提取結(jié)果為：

(7)

如果一個(gè)實(shí)驗(yàn)室用電周期內(nèi)，同時(shí)存在DFT諧波與DSC諧波，且兩者之間并不存在明顯干擾關(guān)系，那么在控制諧波傳輸深度時(shí)，可對(duì)兩類諧波特性進(jìn)行分別定義，再按照譜序列變換原則，描述剩余波段內(nèi)諧波信號(hào)的傳輸情況；若DFT諧波、DSC諧波之間存在相互干擾關(guān)系，就表示一個(gè)用電周期內(nèi)，諧波信號(hào)的作用行為較為復(fù)雜，在控制諧波傳輸深度時(shí)，只能選擇幾個(gè)特征諧波點(diǎn)參量作為實(shí)際研究對(duì)象，以此提取諧波波動(dòng)特性[15-16]。

2.3 諧波深度控制

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電諧波的深度控制，還需在控制器架構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，分別求解死區(qū)補(bǔ)償向量與控制參數(shù)，并根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果，以此實(shí)現(xiàn)用電諧波的深度控制。

為了更好適應(yīng)用電諧波的傳輸特性，在控制其波動(dòng)行為時(shí)，還需按照控制器架構(gòu)的連接形式，分析諧波信號(hào)在每一波動(dòng)周期內(nèi)的傳輸特征[17-18]。從廣義角度來(lái)看，DFT諧波、DSC諧波都屬于常見的諧波信號(hào)，在傳輸過(guò)程中，為使這些信號(hào)樣本的相角補(bǔ)償能力保持一致，信號(hào)處理器、信號(hào)放大器、信號(hào)聚合器必須同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，一方面統(tǒng)一諧波信號(hào)的傳輸波頻，另一方面根據(jù)電壓、電流等電量指標(biāo)的數(shù)值水平，判斷諧波信號(hào)的延時(shí)與增益情況，以便于控制器設(shè)備能夠?qū)Σ▌?dòng)向量進(jìn)行有效控制[19-20]。此外，校正單元作為控制器架構(gòu)中唯一具有雙向協(xié)調(diào)能力的設(shè)備元件，可以精準(zhǔn)感知諧波信號(hào)的當(dāng)前波動(dòng)特性，由于DFT諧波、DSC諧波在同一傳輸周期內(nèi)具有不同的波動(dòng)特性，所以校正單元在實(shí)施協(xié)調(diào)處理之前，首先會(huì)對(duì)信號(hào)樣本種類進(jìn)行區(qū)分。對(duì)于校正單元而言，廣義諧波信號(hào)、相角補(bǔ)償機(jī)制同時(shí)帶來(lái)了延時(shí)與增益控制效果，而這些作用行為則是保證控制器架構(gòu)在諧波波長(zhǎng)調(diào)節(jié)方面處理效果的主要原因。具體的控制器架構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器架構(gòu)框圖

如果DFT諧波、DSC諧波的傳輸波長(zhǎng)相等，那么規(guī)定當(dāng)前用電諧波信號(hào)的相角水平相同，校正單元可直接對(duì)這些信號(hào)參量進(jìn)行處理。

由死區(qū)引起的諧波信號(hào)與誤差電壓及感應(yīng)電流的傳輸方向有關(guān)。當(dāng)誤差電壓水平較低時(shí)，感應(yīng)電流由高電量端向著低電量端傳輸，死區(qū)輸出諧波分量所能達(dá)到的傳輸深度較淺[21-22]。而死區(qū)輸出諧波分量的數(shù)值水平極難計(jì)算，因此為有效控制實(shí)驗(yàn)室用電諧波的傳輸深度，應(yīng)在開始計(jì)算之前，統(tǒng)計(jì)死區(qū)補(bǔ)償向量的數(shù)值情況，結(jié)果如下：

(8)

(9)

為保證對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度的控制效果，還要求控制參數(shù)的取值必須屬于(0，1]的數(shù)值區(qū)間。

實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制模型是遵循譜序列變換原則所建立的數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式，能夠清晰描述出實(shí)驗(yàn)室用電諧波在單位波動(dòng)周期內(nèi)的波形規(guī)律，可以為諧波信號(hào)的精準(zhǔn)控制提供參考依據(jù)。在確保數(shù)字迭代條件保持恒定的情況下，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制模型的求解應(yīng)注意如下兩方面問(wèn)題。

1)所選諧波點(diǎn)必須能夠描述出諧波行為的波動(dòng)性特征；

2)所選節(jié)點(diǎn)對(duì)象應(yīng)處于諧波行為的上升周期之內(nèi)，且同一諧波周期內(nèi)，不得對(duì)特征參量進(jìn)行重復(fù)取值。由于數(shù)字迭代關(guān)系的成立，要求所應(yīng)用諧波信號(hào)必須來(lái)自同一個(gè)波動(dòng)周期，所以為保持實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制模型與數(shù)字迭代關(guān)系表達(dá)式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)在該波動(dòng)周期內(nèi)進(jìn)行再次取樣。滿足譜序列變換原則的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制模型表達(dá)式為：

(10)

3 實(shí)例分析

為了檢驗(yàn)基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制方法、基于電場(chǎng)耦合法的諧波檢測(cè)與控制方法、基于感應(yīng)電能供電技術(shù)的諧波控制方法的實(shí)用差異性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)電流諧波、電壓諧波的實(shí)驗(yàn)數(shù)值情況，分析所應(yīng)用方法的有效性。

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

本次實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

1)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，按需閉合相關(guān)控制開關(guān)，確保實(shí)驗(yàn)元件的穩(wěn)定運(yùn)行；

2)將基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制方法作為實(shí)驗(yàn)組，利用該方法控制實(shí)驗(yàn)電路，記錄在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組電流諧波、電壓諧波的具體數(shù)值情況；

3)閉合控制開關(guān)，使實(shí)驗(yàn)元件恢復(fù)至初始狀態(tài)；

4)將基于電場(chǎng)耦合法的諧波檢測(cè)與控制方法作為對(duì)照1組，利用該方法控制實(shí)驗(yàn)電路，記錄在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，電流諧波、電壓諧波的具體數(shù)值；

5)再次閉合控制開關(guān)，使實(shí)驗(yàn)元件恢復(fù)至初始狀態(tài)；

6)以基于感應(yīng)電能供電技術(shù)的諧波控制方法作為對(duì)照2組，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，記錄電流諧波、電壓諧波的實(shí)驗(yàn)數(shù)值；

7)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析本次實(shí)驗(yàn)的具體結(jié)論。

3.2 設(shè)備與參數(shù)

搭建如圖3所示的實(shí)驗(yàn)電路，利用電流表、電壓表測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電量諧波數(shù)值，其中電流表所測(cè)結(jié)果為各支路電流數(shù)值之和，電壓表所測(cè)結(jié)果為電動(dòng)機(jī)兩端的負(fù)載電壓數(shù)值。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路

本次實(shí)驗(yàn)所選設(shè)備元件的具體型號(hào)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公平性，除所采用方法不同外，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組其他實(shí)驗(yàn)條件完全保持一致。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4反映了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電流諧波與電壓諧波的數(shù)值變化情況。

圖4 電流諧波

分析圖4可知，至第6 min，實(shí)驗(yàn)組電流諧波開始進(jìn)入穩(wěn)定的波動(dòng)變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，其波動(dòng)區(qū)間為6.8～12.4 A；對(duì)照1組電流諧波則始終不斷增大，并無(wú)明顯波動(dòng)變化規(guī)律；對(duì)照2組電流諧波出現(xiàn)無(wú)規(guī)律變化狀態(tài)。說(shuō)明與對(duì)照1組和對(duì)照2組相比，實(shí)驗(yàn)組電流變化更為規(guī)律和穩(wěn)定，說(shuō)明本文方法的控制效果更好。

分析圖5可知，在3～30 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組電壓諧波一直保持來(lái)回波動(dòng)的數(shù)值變化狀態(tài)，其波動(dòng)區(qū)間為112～118 V；在9～12 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，對(duì)照1組電壓諧波數(shù)值保持穩(wěn)定，但其持續(xù)時(shí)長(zhǎng)明顯小于實(shí)驗(yàn)組；在21～30 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，對(duì)照2組電壓諧波數(shù)值保持穩(wěn)定，其持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)組。

圖5 電壓諧波

在此基礎(chǔ)上，對(duì)比了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照1組、對(duì)照2組控制下的電流諧波與電壓諧波畸變率。其中諧波電壓畸變率主要用于衡量諧波電壓畸變的大小，評(píng)估諧波干擾的程度；諧波電流畸變率能夠反映電流中存在的諧波程度，評(píng)估諧波污染的度，也是評(píng)價(jià)諧波控制效果的重要指標(biāo)之一。

電流諧波與電壓諧波畸變率對(duì)比結(jié)果如表2和表3所示。

表2 電流諧波畸變率

表3 電壓諧波畸變率

分析表2中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組的電流諧波畸變率最大值為2.74%，平均值為2.21%，最小值為1.58%；對(duì)照1組的電流諧波畸變率最大值為18.62，平均值為15.58%，最小值為12.48%；對(duì)照2組的電流諧波畸變率最大值為12.85%，平均值為9.56%，最小值為8.47%；無(wú)論是從哪方面來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組的電流諧波畸變率均是最低的，說(shuō)明該方法對(duì)于電流諧波的控制效果好。

分析表3中的數(shù)據(jù)可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷發(fā)展變化，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照1組、對(duì)照2組控制下的電壓諧波畸變率均發(fā)生了顯著變化。其中，實(shí)驗(yàn)組的電壓諧波畸變率最大值為3.65%，平均值為2.89%，最小值為2.24%；對(duì)照1組的電壓諧波畸變率最大值為15.99%，平均值為13.28%，最小值為11.14%；對(duì)照2組的電壓諧波畸變率最大值為26.84%，平均值為23.84%，最小值為19.88%；與對(duì)照1組、對(duì)照2組相比，實(shí)驗(yàn)組控制下的電壓諧波畸變率是最低的，說(shuō)明該方法對(duì)于電壓諧波的控制效果更好。

存在實(shí)驗(yàn)室用電諧波的情況下，實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)會(huì)由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定狀態(tài)，而利用實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照1組、對(duì)照2組對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度進(jìn)行控制后，會(huì)使電力系統(tǒng)由非穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而使電力系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，這一過(guò)程所用時(shí)間越短，控制效率越高，則實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照1組、對(duì)照2組的控制時(shí)間對(duì)比如表4所示。

表4 控制時(shí)間對(duì)比結(jié)果

分析表4中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制時(shí)間平均值為0.59 s，對(duì)照1組的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制時(shí)間平均值為3.51 s，對(duì)照2組的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制時(shí)間平均值為2.52 s，實(shí)驗(yàn)組的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制是最短的，說(shuō)明該方法的能夠快速使實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)由非穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而保證其正常穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上可知，基于電場(chǎng)耦合法的諧波檢測(cè)與控制方法、基于感應(yīng)電能供電技術(shù)的諧波控制方法應(yīng)用下，電壓諧波、電流諧波雖然能夠出現(xiàn)穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，但其持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，不利于解決因諧波不穩(wěn)定而造成的電力損耗問(wèn)題；基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制方法可以長(zhǎng)時(shí)間維持電壓諧波、電流諧波數(shù)值的穩(wěn)定波動(dòng)狀態(tài)，且電壓與電流諧波畸變率始終處于較低的水平，能夠快速使實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)恢復(fù)正常，可以較好解決因諧波不穩(wěn)定而造成的電力損耗問(wèn)題，更符合有效控制實(shí)驗(yàn)室用電行為的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章在根據(jù)譜序列變換原則估算實(shí)驗(yàn)室用電諧波參數(shù)取值范圍，提取實(shí)驗(yàn)室用電諧波特征。設(shè)計(jì)諧波控制器架構(gòu)，通過(guò)計(jì)算死區(qū)補(bǔ)償向量與控制參數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電諧波的深度控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，相較于基于電場(chǎng)耦合法的諧波檢測(cè)與控制方法、基于感應(yīng)電能供電技術(shù)的諧波控制方法，這種新型控制能夠使電壓諧波、電流諧波保持穩(wěn)定變化趨勢(shì)，不但解決了因電量諧波不穩(wěn)定而造成的電力損耗問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電行為的有效控制，且電壓與電流諧波畸變率始終處于較低的水平，能夠快速使實(shí)驗(yàn)室電力系統(tǒng)恢復(fù)正常。此外，基于譜序列變換的實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制方法的實(shí)施還可以減少對(duì)環(huán)境的污染，提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)保障實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，對(duì)于需要進(jìn)行頻繁實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室而言，使用電諧波深度控制方法是一種非常有效和值得推廣的控制技術(shù)，利用該技術(shù)可以有效地控制實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，并提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室用電諧波深度控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的參考意義。