張儼，彭志煒，雷章勇，趙雪嬌，范強(qiáng)

（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州電力科學(xué)研究院，貴州貴陽(yáng) 550002）

微電網(wǎng)諧波源危害及諧波檢測(cè)技術(shù)

張儼1，彭志煒1，雷章勇1，趙雪嬌1，范強(qiáng)2

（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.貴州電力科學(xué)研究院，貴州貴陽(yáng) 550002）

微電網(wǎng)中的諧波，對(duì)微電網(wǎng)環(huán)境的污染非常嚴(yán)重，這就要求電力監(jiān)控設(shè)備能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)微電網(wǎng)諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)。首先介紹了微電網(wǎng)中諧波源的形成以及其產(chǎn)生的危害，然后分別從信號(hào)分析和坐標(biāo)變換2個(gè)方面，對(duì)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)諧波檢測(cè)的研究進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后針對(duì)當(dāng)前研究廣泛的傅里葉變換、小波變換、HHT變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論等諧波檢測(cè)技術(shù)單一檢測(cè)諧波效果不足的缺點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了多種諧波檢測(cè)技術(shù)之間復(fù)合策略的重要性，并對(duì)這幾種常用諧波檢測(cè)技術(shù)之間的復(fù)合策略進(jìn)行深入分析、對(duì)比，使微電網(wǎng)諧波檢測(cè)能夠達(dá)到更好效果。

微電網(wǎng)諧波；坐標(biāo)變換；諧波檢測(cè)

隨著新能源及新型電力負(fù)荷迅速發(fā)展，采用環(huán)保、潔凈以及可再生能源的微電網(wǎng)是目前應(yīng)用和推廣的重點(diǎn)。由于采用大量的電力電子元件以及用戶側(cè)非線性負(fù)荷的接入[1]，使得微電網(wǎng)中充斥著大量諧波；同時(shí)，高壓主網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)的諧波滲透率也比較高。以上種種問(wèn)題使得微電網(wǎng)諧波問(wèn)題相比普通電力系統(tǒng)處理起來(lái)更加復(fù)雜，且當(dāng)前對(duì)此類問(wèn)題的研究綜述較少。因此，研究如何有效、快速地檢測(cè)和分析微電網(wǎng)諧波顯得尤為重要。

本文首先分析了微電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的原因及危害，然后根據(jù)近年來(lái)的文獻(xiàn)，分別從信號(hào)分析和坐標(biāo)變換來(lái)總結(jié)微電網(wǎng)諧波檢測(cè)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)當(dāng)前研究比較廣泛的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論、小波變換法和傅里葉變換法等諧波檢測(cè)法之間的復(fù)合策略進(jìn)行綜述。最后，展望了微電網(wǎng)系統(tǒng)諧波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 微電網(wǎng)諧波源的產(chǎn)生及危害

1.1 微電網(wǎng)諧波源的產(chǎn)生

諧波是電能質(zhì)量中一個(gè)重要問(wèn)題，很大程度上影響微電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、有效的運(yùn)行。微電網(wǎng)諧波的主要來(lái)源有微電源、負(fù)荷、高電壓等級(jí)電網(wǎng)的諧波滲透以及微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)切換[2]。

1.1.1 微電源自身產(chǎn)生諧波

微電源產(chǎn)生諧波有2個(gè)方面，微電源自身和微電源的接入。

1）微電源自身。微電源主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)等。

光伏發(fā)電的核心組件是光伏電池。光伏電池的輸出與光照強(qiáng)度直接相關(guān)。當(dāng)光照強(qiáng)度和光照變化速率因陰云等遮擋物而不均勻時(shí)，光照強(qiáng)度會(huì)不穩(wěn)定，使得光伏組件的輸出不對(duì)稱，引起諧波[3]。

對(duì)于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]指出風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，經(jīng)過(guò)定子側(cè)的放大后流入到大電網(wǎng)中。當(dāng)增加風(fēng)電機(jī)組時(shí)，就會(huì)增大諧波的總畸變率。

2）微電源的接入。微電網(wǎng)主要將太陽(yáng)能、風(fēng)能等微電源或儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)換為工頻50 Hz的交流電，并向負(fù)荷以及大電網(wǎng)供電。但微電源或儲(chǔ)能裝置的輸出不滿足要求的交、直流電，需經(jīng)電力電子裝置轉(zhuǎn)化后，才可接入微電網(wǎng)為負(fù)荷供電。而過(guò)程中使用的大量電力電子元件會(huì)產(chǎn)生大量諧波[3]。

1.1.2 負(fù)荷產(chǎn)生諧波

微電網(wǎng)主要供電對(duì)象是商業(yè)和居民用戶。家用的電氣設(shè)備帶有相位控制電路或整流電路，它們多為非線性或沖擊性負(fù)載[5]。微電網(wǎng)中含有這些負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電壓、電流畸變，產(chǎn)生諧波，且其含量與所產(chǎn)生諧波成正比。

1.1.3 高電壓等級(jí)電網(wǎng)諧波滲透產(chǎn)生諧波

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于微電網(wǎng)相對(duì)大電網(wǎng)容量較小，大電網(wǎng)諧波向微電網(wǎng)滲透時(shí)，其諧波滲透系數(shù)較大，諧波會(huì)從電壓等級(jí)高的大電網(wǎng)向等級(jí)低的微電網(wǎng)傳遞，影響微電網(wǎng)運(yùn)行，甚至可能燒毀微電源中的電力設(shè)備[6]。

1.1.4 孤島與并網(wǎng)切換產(chǎn)生諧波

微電網(wǎng)與大電網(wǎng)通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）連接，實(shí)際運(yùn)行中，并網(wǎng)點(diǎn)電壓諧波波動(dòng)主要來(lái)源于負(fù)載變換和孤島與并網(wǎng)2種運(yùn)行方式切換。2種狀態(tài)切換瞬間，并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電壓波動(dòng)會(huì)很大，對(duì)其造成較大沖擊。

1.2 微電網(wǎng)諧波源危害

微電網(wǎng)中諧波的危害總結(jié)如下：

1）諧波會(huì)使微電網(wǎng)中電壓、電流波形發(fā)生畸變[7]，對(duì)微電網(wǎng)外的通信系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲污染，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)異常甚至丟失[3]。

2）諧波會(huì)使微電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜等產(chǎn)生附加熱效應(yīng)，增加無(wú)功損耗，使部分電力設(shè)備加速老化，降低輸電線路和電氣設(shè)備的使用壽命[8]。

3）諧波會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確，引起部分繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)[9]。

4）微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，諧波會(huì)引起其與所連接的配電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)和串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，發(fā)生過(guò)電壓或過(guò)電流，造成電容器等設(shè)備燒毀；微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，諧波含量過(guò)大會(huì)破壞有功、無(wú)功的測(cè)量與控制。

5）諧波含量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鎖相困難，使微電源在接入微電網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)較大沖擊電流，可能導(dǎo)致微電源并網(wǎng)失敗[10]。

2 微電網(wǎng)諧波檢測(cè)技術(shù)

微電網(wǎng)諧波因受到隨機(jī)性、波動(dòng)性、不平穩(wěn)性等因數(shù)影響，導(dǎo)致諧波分析難度大大增加。諧波檢測(cè)技術(shù)要滿足快速性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性的要求。

現(xiàn)有主流諧波檢測(cè)技術(shù)按原理來(lái)分大致可以分為2個(gè)方面：

1）信號(hào)分析方面，包含傅里葉變換[11-21]、小波變換[22-30]和HHT變換[31-37]。

2）坐標(biāo)變換方面，包含瞬時(shí)無(wú)功功率理論[38-45]和同步坐標(biāo)變換[46-47]。

本節(jié)分別從這2個(gè)方面來(lái)歸納微電網(wǎng)諧波檢測(cè)技術(shù)，并論述各類技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。

2.1 信號(hào)分析方面

2.1.1 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法

連續(xù)傅里葉變換（FT）具有算法準(zhǔn)確、成熟的優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確地檢測(cè)出平穩(wěn)的信號(hào)中各次諧波的幅值。

為使傅里葉變換從理論走向?qū)嵺`，又提出了3種改進(jìn)變換，分別是離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）[11]和短時(shí)傅里葉變換（STFT）[12]，其中STFT又稱加窗FT或Gabor變換。

DFT解決了計(jì)算機(jī)無(wú)法分析連續(xù)函數(shù)的問(wèn)題，使FT能應(yīng)用于更多場(chǎng)合中。但其存在運(yùn)算量過(guò)大、耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，對(duì)于檢測(cè)精度與速度要求都比較高的微電網(wǎng)，難以滿足。

FFT是在DFT算法基礎(chǔ)上的改良，降低了運(yùn)算要求，減少了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存占用，達(dá)到了快速檢測(cè)的目的。FFT有多種算法，文獻(xiàn)[11]考慮微電網(wǎng)諧波對(duì)分析速度的要求，選用-2FFT算法，其運(yùn)算速度比直接運(yùn)算快一二個(gè)數(shù)量級(jí)。FFT可分解出具體某次諧波的波形及含量，但也有缺陷。

1）計(jì)算量大，耗時(shí)長(zhǎng)，需要一定的采樣時(shí)間，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性差，

2）在時(shí)域內(nèi)沒(méi)有局部化分析能力，無(wú)法定位暫態(tài)信號(hào)的發(fā)生及結(jié)束時(shí)間。

3）由于微電網(wǎng)中間諧波的存在及基波頻率變動(dòng)，會(huì)使輸入信號(hào)頻率與采樣頻率不同，此時(shí)FFT無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步采樣，會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)以及柵欄效應(yīng)[12]，導(dǎo)致檢測(cè)出的諧波出現(xiàn)頻率、幅值和相位上的誤差[13]，不滿足精度要求。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]提出一種基于FFT的修正算法來(lái)檢查諧波和間諧波。該算法通過(guò)對(duì)FFT算法作簡(jiǎn)單變換，減少頻譜泄露誤差，利用頻域插值算法對(duì)諧波和間諧波分開(kāi)進(jìn)行檢測(cè)，抑制了兩者之間的相互干擾。

加窗FT彌補(bǔ)了傳統(tǒng)FT僅可分析頻域而無(wú)法分析時(shí)域特性的缺陷，且可以處理一些非平穩(wěn)信號(hào)[15]，減小頻譜泄漏的誤差，具有更高的諧波計(jì)算精度。文獻(xiàn)[16]采用一種加窗FT分析諧波信號(hào)，能較好地檢測(cè)出穩(wěn)態(tài)諧波的頻率及相位。文獻(xiàn)[17]提出的基于5項(xiàng)Rife-Vincent（I）窗插值FFT諧波分析方法，具有更高的諧波參數(shù)計(jì)算精度。不過(guò)加窗FT也有以下缺陷：

1）對(duì)于分析多尺度和突變、奇異信號(hào)，由于加窗FT的窗口固定不變，難以檢測(cè)。

2）窗函數(shù)較復(fù)雜，主要的窗函數(shù)有海寧窗、矩形窗、布萊克曼窗等[18]。文獻(xiàn)[19-20]提出利用加窗插值算法對(duì)FFT進(jìn)行改進(jìn)，提高對(duì)諧波及間諧波的檢測(cè)精度，但其沒(méi)有考慮由于窗函數(shù)復(fù)雜，分析窗的寬度需要幾十個(gè)信號(hào)周期，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性不好的問(wèn)題[21]。

3）加窗FT在實(shí)際應(yīng)用中，采樣頻率難以同步，易產(chǎn)生虛假諧波、間諧波分量，甚至直接掩蓋原諧波、間諧波分量。另外，在分析2個(gè)頻率較為接近的諧波分量時(shí)，誤差很大[20]。

2.1.2 基于小波變換的諧波檢測(cè)法

小波變換（WT）具有時(shí)頻分析特性，在時(shí)間尺度（頻率）的基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的局部特征分析[22]。它彌補(bǔ)了傅里葉變換的不足，可對(duì)微電網(wǎng)中波動(dòng)、突變等非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行頻帶的劃分，提取各次諧波的時(shí)頻信息，達(dá)到對(duì)信號(hào)的多分辨率分析[23]，并且還有去燥、濾波的功能。文獻(xiàn)[24]提出基于小波變換的諧波檢測(cè)技術(shù)，具有計(jì)算精度高和良好的自適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn)。

微電網(wǎng)諧波會(huì)在信號(hào)采集和傳輸過(guò)程中干擾有用信號(hào)，使信號(hào)失真[25]。文獻(xiàn)[26]利用小波閾值去噪法，將包含噪聲和奇異信息的信號(hào)高頻部分進(jìn)行去噪、濾波，留下有用部分，使信號(hào)可進(jìn)一步采集分析。

目前，用WT對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析的主要方法有連續(xù)小波變換（CWT）、離散小波變換和多分辨率分析。

連續(xù)小波變換（CWT）：將一維時(shí)域函數(shù)映射到二維“時(shí)間-尺度”域上，具有多分辨率的特性。

離散小波變換：在諧波分析過(guò)程中，采樣點(diǎn)基本呈離散形式，需要對(duì)連續(xù)小波變換作離散化處理。

多分辨率分析：能在不同尺度下多分辨分解諧波信號(hào)，其在低頻段有較高的頻率分辨率能力，不過(guò)需要進(jìn)行二次抽取，不能直接檢測(cè)變換的結(jié)果，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)[27]。

小波變換雖彌補(bǔ)了FFT的不足，但卻不能完全替代它，還存在以下缺陷：

1）計(jì)算量較大，且單一小波頻帶較窄，無(wú)法準(zhǔn)確定位暫態(tài)信號(hào)。

2）小波基函數(shù)選取不同，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果不一致，若其選取不當(dāng)，會(huì)大大降低檢測(cè)精度。當(dāng)前沒(méi)有統(tǒng)一的最優(yōu)小波基選取規(guī)則，導(dǎo)致小波變換實(shí)用性較低，且不能單獨(dú)提取任意頻率信號(hào)[28]。

3）當(dāng)三相電網(wǎng)不平衡時(shí)，其檢測(cè)效果不佳[29]。

4）由于其高頻部分頻帶比較寬，造成高頻段分辨率較低，降低了高次諧波的檢測(cè)精度[30]。

2.1.3 基于HHT（Hilbert-Huang transform）變換的諧波檢測(cè)法

HHT（Hilbert-Huang transform）變換，是一種能處理非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的新的時(shí)頻域分析法[31]。該方法首先對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD），得到各模態(tài)分量（IMF），并對(duì)其進(jìn)行希爾伯特（Hilbert）譜分析和邊際譜分析，最終計(jì)算各個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)諧波信號(hào)時(shí)頻特性的精確檢測(cè)。

相比于傳統(tǒng)傅里葉變換和小波變換，HHT變換能夠根據(jù)信號(hào)的局部時(shí)變特性進(jìn)行自適應(yīng)的時(shí)頻分解，可得到較高的時(shí)頻分辨率[31]；對(duì)分析時(shí)變、衰減、間斷等非平穩(wěn)諧波信號(hào)更為精確；具有小波變換和傅里葉變換兩者的優(yōu)點(diǎn)，且還不用考慮擬定基函數(shù)[32]。文獻(xiàn)[33]提出采用HHT變換對(duì)微電網(wǎng)中諧波和間諧波進(jìn)行檢測(cè)，能有效分離各次諧波。

這里指出，EMD分解比小波變換在數(shù)據(jù)局部處理上更具特點(diǎn)，能力更強(qiáng)，當(dāng)處理間歇、跳變信號(hào)時(shí)，EMD分解更優(yōu)于小波變換[32]。但此方法也存在曲線包絡(luò)、模態(tài)混疊現(xiàn)象以及端點(diǎn)效應(yīng)等問(wèn)題。文獻(xiàn)[34-29]采用改進(jìn)HHT算法，提出在EMD過(guò)程中用保形分段三次厄爾米特插值法替代三次樣條插值函數(shù)，解決曲線包絡(luò)問(wèn)題，提高了EMD分解的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[35]提出在EMD之前，先濾掉信號(hào)基波分量，再對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行EMD分解，以抑制因直接分解而產(chǎn)生的模態(tài)混疊現(xiàn)象。文獻(xiàn)[36]提出向信號(hào)中加入不同白噪聲進(jìn)行EMD，再多次平均抵消所加白噪聲，避免低頻信號(hào)分量混入高頻分量中，有效抑制模態(tài)混疊現(xiàn)象；文獻(xiàn)[37]采用改進(jìn)HHT對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)，提出支持向量回歸機(jī)與鏡像延拓相結(jié)合，使EMD過(guò)程中出現(xiàn)的端點(diǎn)效應(yīng)得到改善，使結(jié)果的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值具有物理意義。

2.1.4 3種信號(hào)分析諧波檢測(cè)法的比較

現(xiàn)將傅里葉變換，小波變換及HHT變換方法的比較列于表1。

表1 傅里葉變換、小波變換及HHT變換方法的比較Tab.1 Comparison of Fourier transform,wavelet transform and HHT transformation

2.2 坐標(biāo)變換方面

2.2.1 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法具有快速、高效的特點(diǎn)，且可有效分析出諧波信號(hào)瞬時(shí)過(guò)渡過(guò)程，目前被廣泛應(yīng)用在有源電力濾波器中[38]。

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法主要包括2種，一種是以計(jì)算瞬時(shí)實(shí)功率P和瞬時(shí)虛功率Q為出發(fā)點(diǎn)的p-q法，另一種是以計(jì)算瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq為出發(fā)點(diǎn)的ip-iq法。

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的p-q法，當(dāng)電源輸出電壓是三相對(duì)稱時(shí)，此法能準(zhǔn)確檢測(cè)其諧波值，實(shí)時(shí)性較好；但若系統(tǒng)電源受到干擾，使電壓波形含有較多諧波或出現(xiàn)畸變以及三相電壓不平衡等問(wèn)題時(shí)，此法無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)諧波。

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法，由于只取sin ωt和cos ωt參與運(yùn)算，在電源電壓畸變或不對(duì)稱時(shí)也能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波電流，比p-q法更適用于微電網(wǎng)諧波檢測(cè)。由于微電網(wǎng)中微電源電壓輸出易受自然環(huán)境影響，具有不穩(wěn)定性，且易出現(xiàn)三相電壓不平衡問(wèn)題。文獻(xiàn)[39]在考慮光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電壓波形時(shí)常有畸變的情況，采用不易受電壓波形畸變干擾的ip-iq法來(lái)檢測(cè)諧波，效果良好。

不過(guò)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法也有缺點(diǎn)：

1）在三相電壓不對(duì)稱或畸變情況下，ip-iq法能檢測(cè)出基波正序電流，但檢測(cè)出的有功和無(wú)功電流有誤差，且不能準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)序基波電流分量[40]。文獻(xiàn)[41]對(duì)傳統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測(cè)回路進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了針對(duì)檢測(cè)量存在不平衡時(shí)的負(fù)序分量檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不平衡量的補(bǔ)償。

2）對(duì)于單相電路，其必須先分解三相電路，再構(gòu)造單相電路的諧波檢測(cè)電路。其控制電路及檢測(cè)算法比三相電路更復(fù)雜。

3）低通濾波器（LPF）性能的好壞直接影響其檢測(cè)精度。檢測(cè)精度是評(píng)判諧波檢測(cè)法優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，而決定LPF性能的因素是其參數(shù)的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)[42]考慮濾波質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)選擇參數(shù)少的二階Butterworth LPF，濾波效果更好，但卻沒(méi)考慮LPF在保證諧波特性良好情況下，會(huì)有較大延時(shí)性，導(dǎo)致檢測(cè)實(shí)時(shí)性較差[43]。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[44]提出一種改進(jìn)型ip-iq諧波電流檢測(cè)法。此法用積分、延時(shí)和增益環(huán)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)LPF，將檢測(cè)延時(shí)減少到 1/6電源周期，在保證檢測(cè)精度的同時(shí)，也兼顧了實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[45]提出采用雙LPF算法，解決了實(shí)時(shí)性和檢測(cè)精度的矛盾。

2.2.2 基于同步坐標(biāo)變換的諧波檢測(cè)法

微電網(wǎng)中諧波和三相不平衡問(wèn)題日益嚴(yán)重，針對(duì)基于傳統(tǒng)瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法在電壓畸變和三相不對(duì)稱時(shí)檢測(cè)結(jié)果有誤差，且無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)負(fù)序基波分量的缺陷，綜合運(yùn)用廣義瞬時(shí)無(wú)功功率，又提出了基于同步坐標(biāo)變換的諧波檢測(cè)法[46]，能有效檢測(cè)出電流負(fù)序和基波無(wú)功分量。

文獻(xiàn)[47]提出一種基于同步坐標(biāo)變換的電流檢測(cè)方法，避免因三相電壓不對(duì)稱且含畸變時(shí)采用鎖相技術(shù)或使用帶通濾波器所帶來(lái)的誤差，能準(zhǔn)確地檢測(cè)出基波正序無(wú)功電流、不對(duì)稱分量和諧波電流的和，更可直接應(yīng)用于三相三線或四線系統(tǒng)的諧波綜合抑制與補(bǔ)償。

2.2.3 3種坐標(biāo)變換諧波檢測(cè)法的比較

現(xiàn)將基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的p-q法，ip-iq法及基于同步坐標(biāo)變換的諧波檢測(cè)法比較列于表2。

表2 p-q法、ip-iq法及同步坐標(biāo)變換的比較Tab.2 Comparison of p-q method，ip-iqmethod and synchronous coordinate transformation

3 微電網(wǎng)諧波復(fù)合檢測(cè)策略

前面討論通過(guò)某一理論方法實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的諧波檢測(cè)，然而為了更好地對(duì)微電網(wǎng)諧波進(jìn)行檢測(cè)分析，將這些方法之間相互配合，或者搭配別的技術(shù)，如果配合得當(dāng)，可以達(dá)到更好的諧波檢測(cè)效果。本節(jié)討論最常用的傅里葉變換、小波變換、HHT變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論和其他技術(shù)相互之間的復(fù)合檢測(cè)策略問(wèn)題。

3.1 小波變換與傅里葉變換

由于微電網(wǎng)并網(wǎng)電流會(huì)出現(xiàn)突變信號(hào)和高頻諧振，其中存在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)諧波分量。FFT無(wú)法分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，而小波變換具有時(shí)頻特性，其多分辨率分析法可以分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，正好彌補(bǔ)FFT的不足。FFT在波形穩(wěn)態(tài)情況下能檢測(cè)各次諧波的幅值和相位，而小波變換能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分層，準(zhǔn)確定位并濾除干擾信號(hào)。文獻(xiàn)[48]將小波變換和FFT的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，首先用小波變換將信號(hào)分解成平穩(wěn)和非平穩(wěn)信號(hào)，然后對(duì)分解后非平穩(wěn)信號(hào)用小波變換處理，平穩(wěn)信號(hào)用FFT檢測(cè)各次諧波含量。此復(fù)合策略不僅能分析穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，還能檢測(cè)出諧波含有率和總諧波畸變率。

3.2 傅里葉變換與瞬時(shí)無(wú)功功率理論

實(shí)時(shí)性是決定諧波檢測(cè)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[43]考慮到基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法因數(shù)字低通濾波器（LPF）的設(shè)計(jì)取舍，導(dǎo)致其實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題，提出將FFT與ip-iq法相結(jié)合的諧波檢測(cè)法。首先用FFT法代替ip-iq法中的LPF，分離出三相電流中的基波分量與諧波分量。再對(duì)基波分量運(yùn)用ip-iq法，得到瞬時(shí)電流的基波有功分量ip與基波無(wú)功分量iq。此復(fù)合策略避免LPF設(shè)計(jì)難題，不但保留了原ip-iq法能同時(shí)檢測(cè)諧波分量與基波無(wú)功分量，且檢測(cè)結(jié)果不受電壓畸變影響等優(yōu)點(diǎn)，還改善了ip-iq法的實(shí)時(shí)性；相較原FFT，增大了頻率分辨率，使響應(yīng)時(shí)間縮短到半個(gè)工頻周期，提高了對(duì)時(shí)變諧波的跟蹤能力和諧波檢測(cè)的快速性。

3.3 小波變換與瞬時(shí)無(wú)功功率理論

考慮到基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法在檢測(cè)三相電路中低頻非整次諧波時(shí)無(wú)法得到很好的檢測(cè)效果，還有運(yùn)用小波變換時(shí)小波混疊現(xiàn)象的影響。文獻(xiàn)[49]提出ip-iq法與小波變換串聯(lián)的諧波檢測(cè)方法。該方法利用ip-iq法檢測(cè)各相諧波中大部分整次諧波，再利用小波變換檢測(cè)各相中的非整次諧波。由于ip-iq法已經(jīng)濾除大部分的諧波，使得小波分解時(shí)混疊現(xiàn)象大幅降低，最后得到的基波分量相較前2種檢測(cè)方式單獨(dú)使用效果更為純凈，有效地克服2種方法的缺陷，通過(guò)優(yōu)化組合，使結(jié)果更加理想。

3.4 小波變換與HHT變換

小波變換對(duì)基函數(shù)選取有較大依賴，難以適應(yīng)微電網(wǎng)環(huán)境下的諧波檢測(cè)要求。為此，文獻(xiàn)[50]結(jié)合小波變換與HHT變換，利用小波變換多分辨率分析對(duì)微電網(wǎng)提取的信號(hào)進(jìn)行劃分，再對(duì)劃分后的信號(hào)進(jìn)行HHT變換。該復(fù)合策略減小了小波變換中因基函數(shù)選擇不當(dāng)而引起的誤差，同時(shí)也改善了HHT直接檢測(cè)諧波信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的模態(tài)混疊現(xiàn)象，且其諧波分析精度高，實(shí)時(shí)性好。

3.5 傅里葉變換與其他技術(shù)

3.5.1 加窗FFT與插值

前文提到，傳統(tǒng)FFT在檢測(cè)微電網(wǎng)間諧波時(shí)會(huì)因頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)的影響導(dǎo)致精度降低，加窗和插值能適當(dāng)減小其影響。文獻(xiàn)[51]提出采用加窗插值算法對(duì)FFT算法稍加改進(jìn)，提高測(cè)量精度，并減小柵欄效應(yīng)。文獻(xiàn)[52]采用多項(xiàng)式逼近的單峰譜線插值算法來(lái)分析間諧波，提高分析精度，簡(jiǎn)化計(jì)算。

傳統(tǒng)的加窗插值FFT算法雖可減小一定的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，但檢測(cè)精度還達(dá)不到要求。文獻(xiàn)[53]提出用基于三次樣條插值的信號(hào)重構(gòu)算法對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，對(duì)重構(gòu)信號(hào)再用加Hanning窗雙插值FFT算法得到基波、各次諧波及間諧波，提高了微電網(wǎng)諧波及間諧波的分析精度。不過(guò)此法沒(méi)有考慮因各次諧波的參數(shù)要單獨(dú)進(jìn)行校正，導(dǎo)致計(jì)算量較大，且其頻率分辨率低的問(wèn)題。

3.5.2 FFT與同步采樣

將FFT運(yùn)用于在線諧波分析已較為普遍，但分析結(jié)果的準(zhǔn)確性卻由于柵欄效應(yīng)、頻率泄露的影響而變低。前文提到加窗和插值可減小兩者的影響，但其算法復(fù)雜且不能完全消除。文獻(xiàn)[11]提出一種使用同步釆樣實(shí)現(xiàn)在線諧波分析的算法，將同步采集到的信號(hào)參數(shù)再用FFT進(jìn)行諧波分析，運(yùn)算結(jié)果可準(zhǔn)確表示基波及其整數(shù)倍的頻譜特性，有效消除柵欄效應(yīng)。此復(fù)合策略在系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)就能快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)諧波。

3.6 HHT與其他技術(shù)

信號(hào)中的噪聲會(huì)影響分析真實(shí)信號(hào)時(shí)的正確性。文獻(xiàn)[54]提出了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和HHT變換的諧波及間諧波檢測(cè)方法。先用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理，保留了原信號(hào)主要特征，然后在通過(guò)HHT變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，提高了在噪聲影響下對(duì)諧波和間諧波的檢測(cè)精度。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 總結(jié)

本文論述了微電網(wǎng)諧波源的產(chǎn)生來(lái)源及危害。然后從信號(hào)處理和坐標(biāo)變換2個(gè)方面分別綜述了各類微電網(wǎng)諧波檢測(cè)法的研究現(xiàn)狀。最后闡述了最常用的傅里葉變換法、小波變換法、HHT變換、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法之間的復(fù)合策略問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。現(xiàn)對(duì)上述諧波檢測(cè)法研究現(xiàn)狀中普遍存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)。

1）DFT算法成熟，但運(yùn)算量過(guò)大，實(shí)時(shí)性差。采用FFT可提高算法速度，但會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏、柵欄效應(yīng)。采用加窗FT可適當(dāng)減小頻譜泄漏引起的誤差，但是對(duì)于分析多尺度信號(hào)和突變信號(hào)，還是存在局限性。

2）小波變換和HHT可實(shí)現(xiàn)非平穩(wěn)諧波分析，但HHT法在模態(tài)分解（EMD）時(shí)存在模態(tài)混疊的現(xiàn)象，目前還沒(méi)有方法能從根本上解決此問(wèn)題。而小波變換對(duì)于構(gòu)建適用于微電網(wǎng)諧波特點(diǎn)的小波基函數(shù)還沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)則。

3）基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法中的低通濾波器（LPF），其性能好壞決定檢測(cè)精度的高低，而LPF的性能又與檢測(cè)實(shí)時(shí)性相矛盾，即實(shí)時(shí)性與檢測(cè)精度二者無(wú)法兼顧。所以LPF設(shè)計(jì)中二者之間的取舍問(wèn)題一直沒(méi)有解決。

4）對(duì)于柵欄效應(yīng)和頻率泄露，傅里葉變換、小波變換、HHT變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論以及四者之間的復(fù)合策略并沒(méi)有完全解決，只是一定程度上減少此問(wèn)題帶來(lái)的影響。

4.2 展望

綜合當(dāng)前諧波檢測(cè)方法的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，在今后微電網(wǎng)諧波檢測(cè)分析的研究中可以從以下幾個(gè)方面考慮確。

1）對(duì)微電網(wǎng)諧波源污染責(zé)任劃分需要進(jìn)一步研究，能否分析出每個(gè)諧波源對(duì)微電網(wǎng)諧波的影響程度還有待進(jìn)一步研究。

2）完善理論體系，并探索新的諧波檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的諧波檢測(cè)，如傅里葉變換、基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)法等，主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)諧波存在一定局限性，還有待完善和發(fā)展；由于非穩(wěn)態(tài)諧波是微電網(wǎng)諧波分析中的主要對(duì)象，開(kāi)展對(duì)非穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)的深入研究，制定新的方法理論，如HHT變換、改進(jìn)的小波變換等方法，以適用于各次諧波間的準(zhǔn)確評(píng)估，將會(huì)促使微電網(wǎng)諧波理論的進(jìn)一步發(fā)展。

3）從HHT理論的提出到目前的應(yīng)用，EMD分解還局限于“經(jīng)驗(yàn)”的狀況，缺乏數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。所以對(duì)EMD分解數(shù)學(xué)理論的完善和深入，是當(dāng)前推動(dòng)其發(fā)展的重要方向。

4）通過(guò)前面所論述的微電網(wǎng)諧波檢測(cè)的復(fù)合策略，將坐標(biāo)變換、信號(hào)分析2種方法結(jié)合起來(lái)對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)，可取得相當(dāng)可觀的諧波檢測(cè)效果，這也會(huì)是將來(lái)微電網(wǎng)諧波檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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（編輯 馮露）

Harmonic Source Hazard and Harmonic Detection Technology in Microgrid

ZHANG Yan1，PENG Zhiwei1，LEI Zhangyong1，ZHAO Xuejiao1，F(xiàn)AN Qiang2
（1.College of Electric Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China；2.Guizhou Electric Power Research Institute，Guiyang 550002，Guizhou，China）

The harmonic in the microgrid has very serious pollution effects on the micro-grid environment，which requires power monitoring equipment to monitor the micro-grid harmonic in time and accurately.In this paper，we first introduce the formation of harmonic sources in the microgrid and the harm they produce.Then，we summarize the harmonic detection of the microgrid at home and abroad from two aspects-signal analysis and coordinate transformation.Finally，aiming at the shortcomings of the harmonic detection，such as Fourier transform，wavelet transform，HHT transform and instantaneous reactive power theory，the paper emphasizes the importance of the compound strategy of multiple harmonic detection techniques，and makes an in-depth analysis and comparison of the compound strategy of these common harmonic detection techniques，so that the micro-grid harmonic detection can achieve better results.

microgrid harmonic；coordinate transformation；harmonic detection

1674-3814（2017）06-0027-09

TM721

A

2016-04-11。

張 儼（1992—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

彭志煒（1958—），男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定與控制，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制；

雷章勇（1989—）男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

趙雪嬌（1992—）女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

范 強(qiáng)（1986—），男，碩士，主要從事可再生能源建模與仿真分析、可再生能源發(fā)電技術(shù)研究。

貴州省電力系統(tǒng)智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)（Z103188）。

Project Supported by the Key Laboratory Construction of Power System Intelligent Technology in Guizhou Province（Z103188）.