凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在諧波檢測(cè)中的應(yīng)用

? ?　應(yīng)用領(lǐng)域：

　　電力系統(tǒng)電壓諧波、間諧波、高頻諧波等檢測(cè)

　　解決的問題：

　　隨著新能源的發(fā)展和大量新技術(shù)新產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波污染面臨越來越嚴(yán)峻的形式。光伏發(fā)電雖給新能源開發(fā)帶來前景，但其并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生諧波也不容忽視。風(fēng)力發(fā)電中變頻器的有限開關(guān)頻率使得風(fēng)電機(jī)組輸出電流畸變，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生諧波影響。大量新技術(shù)的應(yīng)用，如非線性負(fù)荷的電動(dòng)汽車充電站，其接入系統(tǒng)后會(huì)使電流發(fā)生畸變產(chǎn)生大量諧波。還有，目前高速發(fā)展的電氣化鐵路，雖然，交-直-交型機(jī)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(jī)車產(chǎn)生的多，這些高頻諧波不僅對(duì)電力系統(tǒng)有嚴(yán)重影響，而且對(duì)機(jī)車自身也構(gòu)成危害。

　　精確測(cè)量諧波含量和科學(xué)分析諧波影響，不僅為諧波的進(jìn)一步治理提供依據(jù)，而且也為電力系統(tǒng)的和諧發(fā)展提供保障。

　　解決方案：

　　諧波檢測(cè)方法，采用傳統(tǒng)的FFT獲取各次諧波信號(hào)的幅值和頻率，用加窗函數(shù)的辦法減小頻譜泄漏，通過插值消除柵欄效應(yīng)引起的誤差。克服非整數(shù)次諧波檢測(cè)存在頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺點(diǎn)。文中采用Blackman窗函數(shù)在Matlab中建立諧波分析函數(shù)，對(duì)FLUKE6100A諧波源產(chǎn)生的諧波、間諧波和高頻諧波等，以凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀作為數(shù)據(jù)采集工具，通過對(duì)諧波、間諧波和高頻諧波的實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證諧波函數(shù)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(dá)20MHz寬動(dòng)態(tài)范圍輸入的信號(hào)處理能力，在處理電力系統(tǒng)中的高頻諧波中得到了充分發(fā)揮。

　　凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀在諧波檢測(cè)中的應(yīng)用

　　1、應(yīng)用背景

　　1.1 電力系統(tǒng)諧波及劃分

　　諧波干擾一般由非線性電壓或電流特性的設(shè)備產(chǎn)生。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意，當(dāng)時(shí)在德國(guó)，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(tǒng)的諧波電壓源和電流源可以分為以下三類設(shè)備：①磁芯設(shè)備，如變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等；②電弧爐、弧焊機(jī)、高壓放電管等；③電子設(shè)備和電力電子設(shè)備。

　　在實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于有非線性負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，就形成非正弦電流。這種非正弦周期性波形可傅立葉級(jí)數(shù)分解為一個(gè)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(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在間諧波、次諧波和高頻諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)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(duì)電網(wǎng)中變壓器、電容器組、線路和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害，主要是引起設(shè)備故障、附加損耗、發(fā)熱以及降低設(shè)備的使用壽命。

　　2）諧波會(huì)造成保護(hù)系統(tǒng)和控制電路的誤動(dòng)作。諧波在電網(wǎng)中引起的諧振，會(huì)造成諧波電壓升高，諧波電流增大，造成設(shè)備損壞和引起繼電保護(hù)和控制電路的誤動(dòng)。如諧波在負(fù)序（基波）量的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的干擾，會(huì)影響各種以負(fù)序?yàn)V過器為啟動(dòng)元件的保護(hù)及自動(dòng)裝置系統(tǒng)。

　　3）諧波會(huì)造成測(cè)控儀表的不精確，不僅影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，而且對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

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

　　1.3 諧波檢測(cè)方法

　　諧波檢測(cè)的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與檢測(cè)方法密切相關(guān)，諧波檢測(cè)方法的發(fā)展方向是高精度、高速度和高實(shí)時(shí)性，目前常見的諧波檢測(cè)方法按原理可分為：

　　1）基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)方法，較多的是采用DFT或FFT獲取各次諧波信號(hào)的幅值、頻率和相位。在測(cè)量時(shí)間是信號(hào)周期的整數(shù)倍并滿足采樣定理的情況下，DFT和FFT檢測(cè)精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、使用方便，但由于計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性受限制，對(duì)非整數(shù)次諧波的檢測(cè)存在頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺點(diǎn)，為了減小頻譜泄漏，常用的方法是在諧波分析運(yùn)算前增加窗函數(shù)。

　　2）采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法，目前已有多種采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)方法提出。目前對(duì)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的研究很多是仿真性研究，其硬件實(shí)現(xiàn)的研究還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，其實(shí)用價(jià)值還待進(jìn)一步發(fā)展。

　　3）基于小波分析的諧波檢測(cè)方法，小波分析作為時(shí)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(shí)域完全無局部化的缺點(diǎn)，在頻域和時(shí)域同時(shí)具有局部性，能算出某一特定時(shí)間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號(hào)分解成不同頻率的信號(hào)塊。

　　4）基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢測(cè)方法，目前廣泛應(yīng)用在有源電力濾波器方案中，其實(shí)時(shí)性好，延時(shí)小，如在檢測(cè)諧波電流時(shí)，因被檢測(cè)對(duì)象電流中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過一個(gè)電源周期。對(duì)于電網(wǎng)中典型三相整流橋諧波源，其檢測(cè)的延時(shí)約為1/6周期，具有很好的實(shí)時(shí)性。

　　5）自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法，自適應(yīng)能力好，能較好跟蹤檢測(cè)且精度較高，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，目前針對(duì)自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法的研究不僅在軟件仿真方面，而且在硬件電路實(shí)現(xiàn)上日益深入。

　　6）模擬濾波器法，作為早期的諧波電流檢測(cè)方法，由于難設(shè)計(jì)、誤差大、對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)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(cè)電流相減后得到諧波電流分量。