凌华科技PCI-9846高速数字化仪在谐波检测中的应用

   　应用领域：

　　电力系统电压谐波、间谐波、高频谐波等检测

　　解决的问题：

　　随着新能源的发展和大量新技术新产品在电力系统中的应用，电力系统中谐波污染面临越来越严峻的形式。光伏发电虽给新能源开发带来前景，但其并网逆变器产生谐波也不容忽视。风力发电中变频器的有限开关频率使得风电机组输出电流畸变，也会对系统产生谐波影响。大量新技术的应用，如非线性负荷的电动汽车充电站，其接入系统后会使电流发生畸变产生大量谐波。还有，目前高速发展的电气化铁路，虽然，交-直-交型机车在低频谐波有了很好的改善，但其50次以上甚至更高次以上的高频谐波比其它类型的机车产生的多，这些高频谐波不仅对电力系统有严重影响，而且对机车自身也构成危害。

　　精确测量谐波含量和科学分析谐波影响，不仅为谐波的进一步治理提供依据，而且也为电力系统的和谐发展提供保障。

　　解决方案：

　　谐波检测方法，采用传统的FFT获取各次谐波信号的幅值和频率，用加窗函数的办法减小频谱泄漏，通过插值消除栅栏效应引起的误差。克服非整数次谐波检测存在频谱泄漏和栅栏现象等缺点。文中采用Blackman窗函数在Matlab中建立谐波分析函数，对FLUKE6100A谐波源产生的谐波、间谐波和高频谐波等，以凌华科技PCI-9846高速数字化仪作为数据采集工具，通过对谐波、间谐波和高频谐波的实验分析，验证谐波函数和采用PCI-9846作为分析采集工具的可行性和正确性。PCI-9846高达20MHz宽动态范围输入的信号处理能力，在处理电力系统中的高频谐波中得到了充分发挥。

　　凌华科技PCI-9846高速数字化仪在谐波检测中的应用

　　1、应用背景

　　1.1 电力系统谐波及划分

　　谐波干扰一般由非线性电压或电流特性的设备产生。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意，当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。目前，电力系统的谐波电压源和电流源可以分为以下三类设备：①磁芯设备，如变压器、电动机、发电机等；②电弧炉、弧焊机、高压放电管等；③电子设备和电力电子设备。

　　在实际的电网系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。这种非正弦周期性波形可傅立叶级数分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波，谐波频率是基频的整倍数。电网中有时也存在间谐波、次谐波和高频谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。

　　在电磁兼容EMC中（Electro Magnetic Compatibility）定义低频范围（0～9kHz）。谐波、间谐波、次谐波以及高频谐波划分如下表。

　　表1 谐波与频率范围

　　

　　1.2 谐波危害

　　谐波的危害，是全面的、深层次的，比如：

　　1）谐波对电网中变压器、电容器组、线路和旋转电机的危害，主要是引起设备故障、附加损耗、发热以及降低设备的使用寿命。

　　2）谐波会造成保护系统和控制电路的误动作。谐波在电网中引起的谐振，会造成谐波电压升高，谐波电流增大，造成设备损坏和引起继电保护和控制电路的误动。如谐波在负序（基波）量的基础上产生的干扰，会影响各种以负序滤过器为启动元件的保护及自动装置系统。

　　3）谐波会造成测控仪表的不精确，不仅影响计量的准确性，而且对控制系统产生严重干扰。

　　4）谐波超过一定程度，不仅影响电子设备的正常工作，还会对其造成损坏。如，谐波会缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯故障。

　　1.3 谐波检测方法

　　谐波检测的精度和动态响应速度与检测方法密切相关，谐波检测方法的发展方向是高精度、高速度和高实时性，目前常见的谐波检测方法按原理可分为：

　　1）基于傅里叶变换的谐波检测方法，较多的是采用DFT或FFT获取各次谐波信号的幅值、频率和相位。在测量时间是信号周期的整数倍并满足采样定理的情况下，DFT和FFT检测精度高、实现简单、使用方便，但由于计算量大，实时性受限制，对非整数次谐波的检测存在频谱泄漏和栅栏现象等缺点，为了减小频谱泄漏，常用的方法是在谐波分析运算前增加窗函数。

　　2）采用人工神经网络的检测方法，目前已有多种采用人工神经网络的谐波检测方法提出。目前对人工神经元网络的研究很多是仿真性研究，其硬件实现的研究还是一个比较薄弱的环节，其实用价值还待进一步发展。

　　3）基于小波分析的谐波检测方法，小波分析作为时域分析的重要工具，克服了傅里叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点，在频域和时域同时具有局部性，能算出某一特定时间的频率分布并将各种不同频率组成的频谱信号分解成不同频率的信号块。

　　4）基于瞬时无功功率的谐波检测方法，目前广泛应用在有源电力滤波器方案中，其实时性好，延时小，如在检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中典型三相整流桥谐波源，其检测的延时约为1/6周期，具有很好的实时性。

　　5）自适应谐波检测方法，自适应能力好，能较好跟踪检测且精度较高，但动态响应慢，目前针对自适应谐波检测方法的研究不仅在软件仿真方面，而且在硬件电路实现上日益深入。

　　6）模拟滤波器法，作为早期的谐波电流检测方法，由于难设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数敏感等，目前已很少使用。常用的模拟滤波器方法有，通过滤波器去除基波分量，得到谐波分量或使用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分量。