谐波抑制多谐波源的谐波技术分析

白 伟

（运城职业技术大学 山西 运城 044000）

1 引言

在智能电网的不断发展和普及下，通过利用多谐波源谐波技术，为最大限度地提高电力系统的运行性能产生积极的影响，不仅可以从根本上解决电力系统的波形畸变问题，还能提高电力电子装置的运行性能，为解决电网谐波三相不平衡现象提供重要的技术支持[1]。因此，为了保证谐波抑制效果，如何科学地分析和应用多谐波源的谐波技术是技术人员必须思考和解决的问题。

2 谐波的危害

谐波的出现通常会对整个电网产生极大的危害，其危害主要体现在以下几个方面：（1）当导体内部流入相应的谐波电流时，很容易出现附加损耗现象，追根究底，集肤效应的出现导致交流电阻与交流频率之间存在以下关系，即前者随着后者的上升而呈现出不断上升的趋势。所以，一旦出现谐波电流现象，将会增加损耗严重程度。此外，谐波的出现在某种程度上会导致铁介质磁场出现严重的铁耗现象，同时，在交流频率的不断增加下，这种作用会变得越来越明显，严重影响了设备的使用寿命。（2）在某一基波位置处，谐波电压一旦出现严重叠加现象，导致绝缘介质应力大幅度上升，使得绝缘老化效率不断加快，进而缩短了设备的使用寿命。（3）谐波的出现除了直接影响电缆、换流设备的运行性能外，还对通信线路的内部信号产生了一定的干扰作用，此外，还会引发周围环境的电磁兼容问题。由此可见，谐波具有较高的危害性，给整体电网运行产生了不良的影响。

3 抑制谐波的传统方法

比较常用的抑制谐波传统方法主要包含以下两种，一种是加装无源滤波器，另一种是加装有源滤波器，这两种方法均在抑制谐波方面发挥出一定的作用，现对这两种方法进行全面介绍，便于后期对多谐波源利用谐波抑制谐波原理的理解和应用。

3.1 加装无源滤波器

无源滤波器内部主要包含电容器等多种无源器件，与所补偿的非线性负载之间存在着密切的并联关系，它的出现和使用除了可以为谐波提供一个稳定、可靠的低阻通路外，还能根据负载特点，提供与之相对应的无功功率。尽管无源滤波器在实际使用中，表现出结构简单、操作方便等特点，但是，也存在一定的缺陷问题。如：滤波特性对系统参数设置情况产生一定的依赖关系；仅仅用于对特定谐波的有效消除，无法实现对全部谐波的消除，增加串联谐振或者并联谐振风险，导致单次谐波程度不断加大，容易引发滤波器过载现象等。

3.2 加装有源滤波器

1969年，Bird和Marsh等人首次提出了谐波成分，该谐波成分除了可以向电网中多次注入相应的谐波电流外，还能削弱电源系统性能，这就是著名的“电力有源滤波器”现象。1976年，某位学者首次提出有源滤波器（简称“APF”），APF作为一种常用的波形发生器，主要利用相关算法，对谐波电流变化情况进行科学、有效的分析和检测，经过检测发现，负荷侧谐波电流与谐波、电流方向相反、大小相同，从而起到一定的补偿作用。20世纪80年代，随着全控型功率器件不断改进和发展，其结构变得越来越稳定、成熟。随着脉宽调制控制技术的不断发展和普及，通过利用瞬时无功功率相关理论，可以实现对谐波电流的精确化、全面化检测和分析，从而促使APF得以快速发展和普及。与无源滤波器相比，有源滤波器主要包含以下两个特性，一个是高度可控制特性，另一个是快速响应特性。同时，通过利用有源滤波器，可以实现对多次谐波无功功率的有效化跟踪和补偿，其特性表现出一定的稳定性，不会被系统所影响。对于无谐波而言，经常出现放大风险，具有体积重量小等特点，但是，全控型功率器件存在生产成本低、重量轻等特点，会对有源滤波器的应用效果产生不良的影响。目前，有源滤波器在日本得以有效推广和普及。此外，通过利用混合滤波方法，可以对两种不同的滤波器应用优势进行有效分析和兼顾，以达到取长补短的作用，从而最大限度地提高整个滤波装置的性价比，从而赢得更多用户的喜爱和青睐。

4 多谐波源利用谐波抑制谐波的原理

从有源滤波器的应用原理可以看出，通过借助多谐波源，可以实现对谐波的精确化、科学化抑制。在这个过程中，看借助所输入的特定谐波，将非正弦谐波进行优化和改进，同时，还要根据频谱的稳定性，借助干扰抵消器，对谐波进行抑制处理，此外，对于多谐波源而言，内部的非线性负荷不同，所对应的谐波电流也存在一定的差异，为此，技术人员要依据多谐波源的“相互抵消”原理，对谐波的投切时间进行科学调整和控制，确保各类非线性负荷所形成的谐波可以实现大规模抵消，为保证谐波抑制效果，降低谐波危害打下坚实的基础。此外，还要利用有源滤波器的“抵消”原理，对其投入时间和切入时间进行科学化控制和调整，确保非线性负荷所形成的谐波量被最大化地抵消，使得谐波危害降到最低。为了更好地验证该原理的可靠性和有效性，技术人员要在科学构建Matlab环境的前提下，搭建相应的系统模型，该模型内部含有大量的非线性元件，以实现对该原理的有效验证。

5 多谐波源谐波技术分析

5.1 快速独立分量分析算法原理

通过利用多谐波源谐波技术，可以实现对谐波互信息特征的全面化、完整化提取，在对谐波互信息特征进行提取期间，技术人员要重视对独立分量分析算法原理的应用。电力系统自身往往会形成大量的谐波[2]，导致整个系统的运行方式表现出一定的随机性、复杂性和不稳定性，从而形成大量的谐波信号，这些谐波信号主要由以下几个部分组成，分别是基波、间隙波、谐波等。谐波源不同，所形成的电流频率和电量相位也存在一定的差异。为此，提出一种快速独立分量分析算法[3]，该算法原理如下：通过采用分离检测的方式，对谐波电流频率进行科学检测，一旦发现信噪比不断降低时，需要严格按照如图1所示的谐波检测过程，精确地计算出谐波所对应的最大误差，以达到提高谐波检测精确度的目的。

图1 谐波检测过程

5.2 多谐波源谐波互信息特征提取方法

谐波互信息特征可以真实、形象地反映出高维数据特征，这是由于这两种特征具有一定的相通性，因此，技术人员要重视对谐波互信息特征的提取和应用，进一步提高多谐波源谐波电流频率分析结果的精确性和真实性。此外，通过借助多个谐波源之间的相互作用，可以将谐波危害降到最低。当配电网所对应的谐波电压频率是未知的，可以借助谐波电压采样矩阵，精确地计算和统计谐波电流幅值。此外，当谐波电流幅值和初相角两个参数始终保持一致时，谐波电流频率会随着时间的不断延长而呈现出不断上升的趋势，对于行元素而言，主要与谐波电流幅值之间存在一定的正相关关系。

5.3 矩阵降维取秩判断谐波互信息

在应用多谐波源谐波技术期间，为了保证谐波互信息特征的精确化提取，技术人员要采用矩阵降维分析法，以实现对谐波互信息的精确提取和分析，矩阵所对应的行元素和列元素具有较高的互信息性，可以实现这些谐波互信息的相互抵消。谐波电压在实际的采样中，需要借助矩阵，直接抵消处理电压采样值，此外，谐波源类型不同，所对应的电流频率、电流幅值、电流相角等参数也存在一定的差异，为了保证谐波相互抵消效果，降低谐波危害，实现对谐波的有效抑制，技术人员要根据谐波电流频谱特性，将谐波电流频率与其幅值进行一一对应，从而解决谐波危害问题。在此基础上，还要采用奇异值分解法，精确地求解出矩阵所对应的有效秩，只有这样，才能精确地判断和计算出谐波源的个数。另外，还要充分利用谐波互信息，对相关数据进行精确描述，从而得出谐波电流频率、电流幅值、电流相位等参数，当多个不同的谐波源出现相互作用和影响后，可以将谐波互信息视为多个量的重复叠加，然后，对矩阵进行一系列的初等变换，同时，对降维处理后的矩阵元素进行不断叠加处理，并对其求和，以保证谐波计算结果的精确性和真实性。由此可见，为了最大限度地降低谐波源的不确定性，技术人员要全面分析和把控谐波状态，为后期科学地优化和改进滤波器提供重要的依据和参考。

6 多谐波源谐波技术在电力系统中的应用实例

现以“某供电局10 kV配电网”为例，对本文所提出的谐波信息特征提取方法的可行性和有效性进行验证。首先，采用辐射的方式[4]，向电力系统提供源源不断的电能，同时，将系统基准容量设置为99 MV·A，通过借助三相三线制作方式，将额定频率控制为49 Hz，所使用接线方式主要包含以下两种，一种是放射状接线，另一种是环式状接线，10 kV电力系统运行图如图2所示，从图2中可以看出，该配电网内部网络结构呈现出混合状态，一旦出现谐波潮流现象，将会直接影响整个电网性能[5]，为此，通过利用MatIab/PoweSimulink仿真平台，构建多种不同类型多谐波源谐波仿真数学模型，并对电力系统运行情况进行仿真分析。

图2 10 kV电力系统运行图

多谐波源通常会形成一定的谐波相互作用，导致研究对象出现不确定性大、特征多样复杂、关联耦合现象严重等问题。针对多谐波源所对应的谐波电流矢量，精确地计算出各个谐波源在单独运行时所形成的谐波电流，当谐波源数量不断增加时，谐波电流之间相互抵消可能性不断增加，这就导致相互抵消效果变得更加明显。本文重点分析和研究了配电网典型多谐波源，该谐波源主要包含以下三种母线[6]，分别是母线6、母线11、母线12，多谐波源所形成的谐波在以上三种母线上均会产生相互影响机理，然后，在全面采样多谐波源谐波电流的基础上，对母线7所对应的谐波源谐波互信息进行自动化提取，对于配电网而言，一旦其多谐波源母线6出现不确定谐波，需要借助相关变压器，对谐波进行多次处理[7]，同时，还要将母线12设置为电力负荷装置，该装置具有一定的非线性特点[8]，此外，还要利用母线11所对应的分布式发电电源，根据电力设备的使用需求，向电力系统提供海量的谐波。另外，技术人员要根据如表1所示的线路相谐波电流有效值，将母线6、母线11、母线12的基波电流有效值分别设置为210.659 A、389.693 A、258.465 A。

表1 线路相谐波电流有效值

通过利用GB/T14549—93电网谐波所对应的谐波限值，发现当配电网所对应的电压等级达到10 kV时，电压总畸变率较低，低于4%，此外，当奇次谐波所对应的畸变率小于3.2%时，整个配电网多谐波源所形成的谐波含有大量的奇次谐波[9]，奇次谐波所对应的污染次数分别为3、5、7、11、13、15，此时，电力系统所含有的奇次谐波出现严重超标现象，为此，需要采用独立分量分析法，对多谐波源谐波电流进行一系列采样，以实现对多谐波源谐波互信息特征的全面化、完整化提取。在此基础上，还要利用MatIab/PoweSimulink仿真平台，完成对多谐波源谐波电流波形图的绘制[10]。由此可见，本文所提出的谐波互信息特征提取方法具有较高的可靠性和可行性，可以实现谐波问题的精确化控制和处理。

7 结语

综上所述，通过将多谐波源谐波技术科学应用于电力系统中，不仅可以保证系统谐波抑制效果，还能实现对谐波互信息特征的快速化提取，同时，还能精确地计算谐波相互交互后最终谐波值，为实现对电网质量的自动化控制提供有力的保障。本次研究所获得的结论如下：①通过将奇异值分解法与快速独立分量分析法进行充分结合，可以实现对谐波互信息特征的科学化、规范化提取，同时，通过借助互信息梯度的灵活性特征，可以确保谐波函数向非线性方向不断转化，便于后期谐波互信息特征分析和提取工作的有效开展，另外，通过采用仿真分析的方式，对本文所提出的提取方法进行验证，发现该方法具有一定的正确性、规范性。此外，通过利用本文所提出的算法，可以有效地解决传统算法存在的运算性能低下等问题，实现对源信号频率的稳定化、科学化分离以及源信号幅值和相位的精确化预估。②多谐波源不同，所对应的谐波互信息特征存在一定的差异性，为此，通过全面地分析和研究其谐波互信息特征，可以确保谐波经过相互交互后，保证谐波计算结果的精确度和真实性，实现对滤波装置自动化控制发挥重要作用。由此可见，多谐波源谐波技术凭借着自身的独特优势，被广泛应用于电力系统设计领域中，有效地解决电力系统内部谐波危害问题，为促进电力行业的健康、可持续发展提供有力的保障。