第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
“谐波”这一个概念最初起源于声学，在声学中用一根弦或者者一根空气柱以基波频率的倍数频率震动来表示谐波。国际电工标准（IEC555-2）与国际大电网会议（GIGRE）的文献中给出谐波的定义是：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的 h 次分量”。在上个世纪 20 年代，德国学者从静止变流器引起波形畸变提出了谐波概念。关于谐波产生的一篇经典论文是 Read J.C 在 1945 年所发表的《The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》。至今被国内外学者广泛引用。
随后，随着特高压直流技术的飞速发展，各类关于因电子变流器而引起的电力系统谐波问题原来越多。同时也出现了相关方面的了论文。特别是 20 世纪 70 年代以来，因电力电子技术的发展，各类电力电子装置在各个工程领域得到广泛应用，谐波所造成的危害也日益凸显。各国对谐波问题也越来越重视，国际上多次召开学术会议研讨谐波问题，不少国家和政府给出各电压等级的谐波限值和标准。对于谐波的测量方法，及有效的谐波治理措施等方面的研究日益蓬勃发展起来。大约在 20 世纪 80 年代～90 年代，我国的水利电力部和技术监督局先后制定了《电力系统谐波暂行规定》及《电能质量 公用电网谐波标准》。这两个标准规定了公用电网谐波允许值及测试方式，同时给出里电力系统谐波相关概念的明确定义。
近年来，随着傅里叶变换和小波分析等方法的应用推广，国内对谐波问题的研究得到进一步加强。国内各大学术期刊及相关会议上关于谐波问题的论文也逐渐增多。研究谐波的来源及产生的原因，分析电力系统谐波检测方法，并根据实际情况提出合理有效的谐波抑制措施，为保障电网安全稳定运行，提高电力系统供电电能质量，有着重要的意义。谐波源（harmonic source）是指向公用电网注入谐波电流或者在公用电网中产生谐波电压的电气设备。通常情况下，电网中引起谐波产生的主要因素主要有：负载的变流装置、非线性不平衡电路、具有饱和特性的装置、输电线路电晕放电、系统的不对称故障等。
随着电力电子技术的发展，非线性负载在供电系统中大量运行。如：静止变流器，低压小容量的家用电器、高压大容量的工业变。这种非线性拓扑负荷，不可避免的产生非正弦波，向电网注入谐波，成为电网的公害。谐波不仅消耗系统的无功功率，其危害还包括以下几个方面：
（1）增加旋转电机、电力变压器、输电线路的损耗。谐波会增加发电机绕组和铁心中非附加损耗；引起变压器磁路饱和、导致变压器局部过热；且能是电缆，电容器等设备绝缘老化，缩短其使用寿命；谐波谐振过电压，造成电气元件及设备故障与损坏，运行安全性下降。
（2）造成继电保护、自动装置工作紊乱，误动和拒动现象增加，导致可靠性下降；还可以引起电力测量的误差。
（3）干扰通信系统。对通信系统产生电磁干扰，使电话和网络通讯质量下降。
（4）延缓电弧的熄灭。特别是在长距离的输电线路上，谐波电流会比较大，导致电弧熄灭缓慢，重合闸失败以至于扩大事故。
（5）谐波对用户设备产生影响；对计算机产生干扰，影响电视机画面，使日光灯的镇流器及补偿电容器过热和损坏，影响功率处理器的正常运行等。
当前，电力系统谐波源，点多面广，配电网用户中的谐波电流可能来之外部负载，也可能是本身的非线性负载所产生的，若不进行明确的区分，将对谐波治理带来困难和不便。对电网谐波进行精确检测，分析谐波含量及谐波类型，是本课题的研究意义所在。
第二章 电力系统谐波检测方法理论分析
电力系统谐波的测量，是谐波研究的关键之一，也是研究谐波问题的理论依据和出发点。谐波测量的主要作用为：
1、鉴定配电网谐波源用户及电力系统的谐波水平是否合格，能否符合标准。以确保供电用户的电压质量水平。
2、对电气设备调试和投运前的测量，保证电网中的供电设备和负载安全运行。
3、对谐波进行专题测试，如谐波潮流、谐波谐振等进行测量，可以更好的分析整个电力系统的潮流和运行方式，保障整个电网的俺去运行。
4、对供电用户进行谐波测量，可预及时预测负载设备的故障情况，提前做好故障的防范措施。
5、为研制和设计谐波抑制装置提供依据。
鉴于实际谐波信号具有非线性、非平稳、随机性等特征，难以对谐波进行准确测量，广大学者对此进行广泛的探讨和研究。国内外对电力系统谐波和间谐波检测方法的研究不少，主要采用的是快速傅里叶变换（FFT），加窗傅里叶变换，各种改进的小波分解法，以及 FFT 与小波分析结合等方法。取得了不少的成果。FFT 由于本身的局限性，在分析迅速变化的谐波时，不具备理论上的优势，随着小波技术的发展，特别是第二代小波技术发展起来后， 其在谐波分析中的应用越来越广泛。小波变换具有时、频域局部化性质，已成为分析非平稳信号的有力工具。
2.1 谐波分析基础
“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”这是国际上公认的谐波定义。按照 IEC 的有关文件定义，谐波源指的是：向公用电网注入谐波电流，或者在公用电网中产生谐波电压的电气设备。
间谐波（inter-harmonics）是指：频率不是工频的整数倍的谐波分量。其允许的谐波总畸变系数应当小于整数次谐波。主要简谐波源有：电弧炉，电焊机，换流装置、感应电动机等，次谐波（sub-harmonics）是指频率低于工频基波频率的谐波分量。首先，来分析一下谐波的有关数学表达式。一般来说，电网稳态供电的电压波形为工频正弦波，其表达式为：
第三章 希尔伯特-黄变换（HHT）的基础理论 .....................................25-31
3.1 希尔伯特-黄变换的基本概念..................................... 25-26
3.1.1 HHT 的主要特点 .....................................25-26
3.2 HHT 分析方法..................................... 26-29
3.2.1 经验模态分解（EMD）..................................... 26-28
3.2.3 Hilbert 变换 .....................................28-29
3.3 希尔伯特-黄变换存在的主要问题 .....................................29-30
3.4 本章小结..................................... 30-31
第四章（HHT）在谐波检测中的应用 .....................................31-51
4.1在谐波检测分析中相关问题的处理 .....................................31-37
4.2 配电网中的谐波信号模型 .....................................37-39
4.3 谐波信号模型仿真与结果分析..................................... 39-49
4.4 本章小结..................................... 49-51
第五章 配电网谐波测量及 HHT 实际算例..................................... 51-58
5.1谐波源调查及现场谐波数据测量 .....................................51-53
5.1.1 配电网系统概述及谐波测量方法..................................... 51
5.1.2 谐波源及无功补偿设备主要参数..................................... 51-53
5.2 实际算例的仿真及分析 .....................................53-57
5.2.1 谐波数据的采集及处理..................................... 53-55
5.2.2 谐波信号的仿真与结果分析..................................... 55-57
5.3 本章小结..................................... 57-58
结论
谐波的检测方法进行研究，是进行有效谐波抑制和无功补偿的前提，具有重要的现实意义。希尔伯特-黄变换（HHT）是最近几年兴起的一种时域分析方法，它特别适用于对非线性、非平稳信号的分析，本文提出将该方法引入到电力系统谐波检测分析中的研究。重点介绍了 HHT 方法的理论基础、自身特点、存在的问题及改进的方法，并将该方法用于仿真的谐波信号和实际采集的谐波电流信号来上来检测和分析。取得一定的成果，得出以下结论：
1、将希尔伯特-黄变换法（HHT）引入到谐波检测分析中，对 4 中谐波模拟信号（谐波和间谐波线性组合信号、含电压间断信号的谐波、含电压衰减信号的谐波及含噪声信号的谐波）进行仿真分析。仿真结果表明：通过经验模态分解，能把复杂的谐波信号有效的分解成单频率分量的信号，对每个进行希尔伯特变换到 HHT 时频谱，时频谱中能够形象的体现信号的频率随时间变换的情况。
2、并将 HHT 仿真结果与普通 FFT 变换和离散小波变换进行比较。结果说明：对于突变、衰减、间断的谐波信号的分析，HHT 方法能够准确的找出谐波信号是那个频率成分发生突变、衰减、间断，及准确的时刻和时间段。FFT 变换在这种信号的分析中显得无能为力，一维离散小波变换对信号发生突变、衰减的类型不能准确判断，即是能找到信号扰动的时刻段，但不能确定是哪个频率成分。
3 对于实测谐波信号的分析。考虑到实际信号谐波成分较为复杂，直接进行HHT 分析，容易出现模态混叠现象，且效果不佳。本文提出一种有效解决模态混叠的方法，即先对原始信号进行滤波（滤掉 50Hz 基波分量）和去噪，再进行 HHT仿真的方法，最后用最小二乘拟合提取谐波参数，并将仿真获取的谐波参数与电能质量分析仪的测量值进行对比，结果表明，滤掉基波成分后 HHT 分析方法用于谐波测量的精度较高。
4、设计一个二阶 IIR 数字滤波器（50Hz），通过 MATLAB 编程实现其功能，仿真表明该滤波器能有效的滤除基波分量（50Hz），且稳定性较好。