管 旭

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧省葫蘆島125005)

0 引言

20世紀(jì)80年代中期以來，主要?dú)w功于功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，使電力電子技術(shù)快速興起。采用功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)變頻裝置的作用就是變流。但是在變流過程中，使用了電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，其輸入和輸出側(cè)電壓和電流都會(huì)出現(xiàn)波形畸變現(xiàn)象，產(chǎn)生豐富的諧波[1]。船舶上大量應(yīng)用電力電子技術(shù)給船舶電網(wǎng)帶來了諧波問題，嚴(yán)重影響電源質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外都有因?yàn)橹C波問題而引發(fā)的重大船舶事故。船舶電力系統(tǒng)用電設(shè)備的諧波標(biāo)準(zhǔn)日益提高，而現(xiàn)階段直流傳動(dòng)系統(tǒng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng)都會(huì)給船舶電網(wǎng)注入大量的諧波，因此船舶電力系統(tǒng)首先要解決的就是諧波問題。

諧波問題涉及面很廣，其中包括諧波抑制、畸變波形的分析方法、諧波源分析、電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)以及諧波測(cè)量等。諧波檢測(cè)是諧波問題的一個(gè)重要分支[2]。

本文在對(duì)現(xiàn)存諧波檢測(cè)方法及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究，驗(yàn)證其有效性。

1 諧波的主要檢測(cè)方法

諧波檢測(cè)是研究分析諧波問題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)。諧波檢測(cè)方法按原理可分為：模擬濾波器；基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)法；基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法；基于小波分析的諧波檢測(cè)法。諧波檢測(cè)（包括對(duì)所有諧波源用戶的設(shè)備投運(yùn)時(shí)的測(cè)量）主要是鑒定實(shí)際電力系統(tǒng)及諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以確保設(shè)備投運(yùn)后船舶電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.1 基于模擬濾波器的諧波檢測(cè)

模擬濾波器諧波檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是：能濾除一些固有頻率的諧波，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，品質(zhì)因數(shù)易于控制等。該方法的缺點(diǎn)有：不僅實(shí)現(xiàn)電路的濾波中心頻率 f1,f2…,fn的元件受外界環(huán)境的影響很大，很難獲得理想的幅頻特性及相頻特性，而且只能對(duì)少量諧波進(jìn)行檢測(cè)且檢測(cè)精度較低。因?yàn)榇嬖谶@些缺點(diǎn)，所以目前基本上不用這種早期的諧波檢測(cè)方法。

1.2 基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)

目前基于傅立葉變換的諧波測(cè)量基本采用由離散傅立葉變換過渡到快速傅立葉變換算法進(jìn)行檢測(cè)。這種測(cè)量方法對(duì)低頻（穩(wěn)態(tài)）諧波檢測(cè)精度較高，使用也比較方便，目前應(yīng)用較為廣泛。但其缺點(diǎn)在于檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性較差，而且會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使計(jì)算出的信號(hào)參數(shù)尤其是相位的誤差很大[3]。為了降低頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)產(chǎn)生的影響，人們想出了多種方法。例如：加窗差值算法、雙峰譜線修正算法、利用數(shù)字式鎖相器(DPLL)使信號(hào)頻率和采樣頻率同步方法，其中自適應(yīng)采樣算法根據(jù)信號(hào)頻率實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率，確定下一采樣時(shí)間。該算法不僅頻譜泄漏的影響較小、實(shí)時(shí)性較好，而且精度也比較高，與固定采樣率算法相比，基本不需增加計(jì)算量。

1.3 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)

1983年日本學(xué)者赤木泰文提出了瞬時(shí)無功功率理論。根據(jù)該理論，瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q中都含有直流分量和交流分量，從中可得被檢測(cè)電流的基波分量，將總電流減去基波分量可得相應(yīng)的諧波電流。該理論使得電力有源濾波理論由實(shí)驗(yàn)室的理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用。該方法只適用于三相電壓正弦、對(duì)稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測(cè)[4]。對(duì)于單相電路，必須首先構(gòu)建三相電路才能進(jìn)行諧波檢測(cè)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變時(shí)，各電流分量的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小。但所需硬件多，花費(fèi)大[5,6]。在目前條件下，采用這種方法相比之下是得不償失的。

1.4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)

研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的有兩個(gè)：一是探索和模擬人的感覺、思維和行為的規(guī)律，設(shè)計(jì)具有人類智能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；二是探討人腦的智能活動(dòng)，用物化的智能來考察和研究人腦智能的物理過程及其規(guī)律。目前對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得了豐碩成果，己應(yīng)用于許多重要領(lǐng)域，如模式識(shí)別與圖象處理、控制與優(yōu)化、預(yù)測(cè)與管理、通信等。

1.5 基于小波變換的諧波檢測(cè)

小波分析(Wavelet Analysis)是一種新興的數(shù)學(xué)分支，它是泛函數(shù)、Fourier分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美的結(jié)晶。它被認(rèn)為是繼Fourier分析之后的又一有效的時(shí)頻分析方法。小波變換與Fourier變換相比，是一個(gè)時(shí)間和頻域的局域變換因而能有效地從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，解決了 Fourier變換不能解決的許多困難問題。由于小波變換克服了傅里葉變換在頻域完全局部性而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了理論上的全面性，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、圖象處理與分析等領(lǐng)域。

2 利用小波多分辨率分析對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行檢測(cè)

小波多分辨率分析在對(duì)非穩(wěn)態(tài)成分諧波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于船舶工作條件的復(fù)雜性等因素，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)諧波問題比陸上大電網(wǎng)更為突出，而且多為非穩(wěn)態(tài)諧波，所以適用小波多分辨率變換對(duì)其進(jìn)行分析。本節(jié)將使用MATLAB平臺(tái)的小波工具箱對(duì)船舶電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)采集的諧波進(jìn)行小波多分辨率分析仿真檢測(cè)。

一般來講，移動(dòng)船舶電站中高次諧波幅值會(huì)隨頻率升高而降低，基波頻率為工頻50 Hz或60 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，把采樣頻率設(shè)定在6 kHz，則最高次的檢測(cè)諧波為3000 Hz（即50次諧波）。小波多分辨率分析諧波檢測(cè)的原始信號(hào)來自現(xiàn)場(chǎng)船舶變壓器中電壓波形，采樣點(diǎn)取為

2000，試驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過通訊線路傳出到電腦中，經(jīng)過MATLAB得到如圖1所示的信號(hào)波形圖。

測(cè)試環(huán)境：兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。1#機(jī)組和2#機(jī)組的輸出電流均為1100 A，有功功率分別為736 kW、735 kW，無功功率分別為1270 kVar、1260 kVar。電壓總畸變率THDu=46%。

圖1 由實(shí)驗(yàn)裝置采集到的某船舶變壓器現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)

小波基的選擇在利用小波變換進(jìn)行系統(tǒng)諧波檢測(cè)中十分重要。本節(jié)根據(jù)小波基的選擇條件，選用的小波基為DB2[7]。圖2所示是船舶現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)利用小波多分辨率分析分離后各個(gè)頻段的重構(gòu)波形。

圖2 尺度為6的db2小波分解

從圖中可以很清楚地看到，尺度1、2、3中的局放信號(hào)清晰，所以將尺度1、2、3下分解的信號(hào)重構(gòu)，得出了如圖3的局放脈沖諧波信號(hào)。

以上是利用小波多分辨率理論，通過MATLAB仿真程序?qū)δ炒罢Ｗ鳂I(yè)時(shí)的對(duì)某變壓器處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明: 小波多分辨率算法在基波幅值相對(duì)穩(wěn)定的情況下，可以比較準(zhǔn)確地分離出船舶電力系統(tǒng)的高次諧波信號(hào)。

圖3 經(jīng)測(cè)量得到的諧波信號(hào)

3 總結(jié)

本文對(duì)現(xiàn)存的諧波檢測(cè)方法詳加分析，并在此基礎(chǔ)上用小波多分辨率理論，通過 MATLAB仿真程序?qū)δ炒斑M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，結(jié)果證明：小波多分辨率理論可以對(duì)船舶電力系統(tǒng)諧波問題進(jìn)行比較準(zhǔn)確的分析。

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[1]肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

[2]Yang Junzhe, Yu Chishan, Liu Chiwen. A new method for power signal harmonic analysis. In: IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(2): 1235-1239.

[3]唐巖. 電力系統(tǒng)諧波測(cè)量方法簡(jiǎn)述. 青海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 2 (1): 21-26.

[4]劉開培, 張俊敏, 陳艷慧. 基于重采樣的三相諧波檢測(cè)瞬時(shí)無功功率法.電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003, 27(12):45-47.

[5]王兆安, 李民, 卓放. 三相電路瞬時(shí)無功功率理論的研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào), 1992, 7(8): 55-59.

[6]張桂斌, 徐政, 王廣柱. 基于空間矢量的基波正序、負(fù)序分量諧波分量的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001, 21(10): 1-5.

[7]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心. 小波分析理論與MATLAB7實(shí)現(xiàn). 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.