第一章绪论
1.1研究背景与意义
随着科技发展和时代进步，现代电M和负载都出现了新的变化趋势，电能同其他商品一样，电能质量越来越受到电力部门和电力用户的重视。一方面电网呈现出超高压、特高压的发展方向，区域性联网对电力系统运行的安全稳定性和供电可靠性的要求逐渐提高；另一方面，电力用户为满足产品生产的需要，大量使用大功率冲击性和非线性负荷，这些负荷会产生电压波动、谐波电压和电流畸变等电能质量问题，而同时生产工艺和用电设备对电能质量的要求不断提高，这些都使得电网中的电能质量问题更加突出[1，2]。尽管在对待导致电能质量问题的原因和责任上，电力公司和用户经常存在很大的分歧，但提高电能质量意识、满足用户生产需求已成为双方共同的愿望。现代电力系统中，电能质量涵盖了多种电磁干扰现象，伴随着电能质量的深入研究，间谐波扰动污染问题受到供用电双方广泛的关注。电力间谐波是指频率为基波非整数次的分数次谐波，它介于工频和谐波频率之间，其中低于工频的间谐波又称次谐波。国内外对谐波的研究已经比较深入，而对间谐波的研究还相对较少，间谐波主要是由变频装置和冲击性负荷造成的，如变频调速装置、电弧炉、乳钢机、挖掘机和电气机车等[3，4]。此外，以大规模风电机组为代表的分布式电源由于自身运行特性和自然因素，也带来了电压波动和间谐波扰动等问题，是一种典型的间谐波源，以风力发电为例，由于风电机组在运行过程中，风速的变动、塔影效应、风剪切效应和偏航误差等原因使得机端电压出现电压波动问题[5’6]。电力间谐波扰动的危害很多，国内外研究文献和工程实例都曾有过因为间谐波导致的发电机、电容器和继电保护装置等电气设备的损坏或误动的记载当间谐波频率接近基波频率时，两者会出现非同步变化，造成人视觉上的混乱，即闪变的发生，研究表明人眼对频率为8.8Hz的灯光闪烁最为敏感。闪变引起的照明灯光闪烁，使人的视觉易于疲劳甚至产生烦躁情绪，从而影响了工作效率和身心健康[8]。间谐波能够引起电力系统的次同步振荡，激发电机的轴系扭振，造成旋转设备的机械疲劳损坏。间谐波产生的波形畸变会使数字继电器等测量仪表产生误差，影响保护装置的正确动作，带来电网安全运行的隐患。此外，间谐波还会增大电气设各的功率损害，造成铁心电感原件的铁磁讲振等危害。
文献[3-6]建立了典型间谐波源的模型，分别阐述了变频调速装置、风力发电机、波动负荷等间谐波源的特征间谐波和产生机理，通过仿真和现场试验验证了典型间谐波源模型的正确性。文献[7,8]分析了间谐波与闪变之间的关联性，得出间谐波是闪变发生的根本原因，文献[8]还将间谐波对闪变的影响程度进行了量化。文献[9]指出如果汽轮机转子轴系自然频率与间谐波频率匹配，则会激发系统的次同步振荡，文章还对振荡激发条件和特点进行了分析，并探讨次同步振荡的应对措施。文献[7，10]还对间谐波引起的仪表误差、保护装置误动和干扰电力通信等不良影响进行了阐述分析。此外，文献[13-16]结合现场试验测量结果，指出间谐波存在真假性，并且分析了间谐波的相序特性，揭示了间谐波相序的一般规律，丰富了间谐波特性的理论体系。现有的单一间谐波检测方法都或多或少存在一些问题，很难同时满足间谐波幅值和相位信息的测量，应用中常常是将两种或多种方法结合起来。文献[17]介绍了中国国家标准和IEC标准推荐的间谐波测量方法一基于离散傅里叶变换(DFT)的检测方法，并对DFT算法进行了改进，改进方法适用于非平稳信号和平稳信号的间谐波测量。文献[18，19]为消除频谱泄露和栅栏效应对DFT算法的不良影响，分别采用汉宁Harming窗和Rife-Vincent(III)窗的插值算法来提高间谐波参数估计的精度，但加窗插值方法也存在釆样窗口长度较长的不足。文献[20-22]利用小波变换良好的时域频域局部化特性，将小波变换应用于谐波和间谐波的检测中，提出了基于连续小波变换（CWT)的间谐波测量方法，该方法能够有效进行非平稳信号的频谱分析，特别是存在频率相近的谐波和间谐波时，该方法比加窗插值傅里叶算法具有更高的测量精度，但计算量大，硬件实现困难，在应用中受到限制。文献[23-25]提出了基于自回归AR模型和Burg算法的间谐波参数估计方法，分析了 Burg算法在处理信号时出现谱峰偏移的原因，并对Burg算法进行了改进，在一定程度上提高了间谐波参数估计的精度，同时也提高了该方法的抗噪声能力。文献[26]在分析间谐波特性的基础上，采用Prony算法对信号进行分解，将指数变换的时域特性和信号特性相结合，利用最小二乘法拟合频率、幅值和相位信息。
第二章间谐波源检测与识别方法的理论框架
电网中的变频装置、电弧炉、风力发电机等是常见的间谐波源，认清典型间谐波源的产生机理和规律特点有助于间谐波源的检测、识别和治理研究。间谐波的检测方法是分析间谐波问题的前提，由于间谐波与谐波具有相类似的性质，在间谐波源识别方法的研究中，可以借鉴现有的谐波源识别方法。本章在分析传统(间）谐波源检测与识别方法优缺点的基础上，理清间谐波源检测与识别的本质，总结检测与识别方法的理论框架。
2.1间谐波源的规律特点
了解产生间谐波的电力设备对间谐波源的识别和治理有着重要的意义。结合工程实践，接入电网的变频调速装置（VFD)、电弧炉、乳钢机、风力发电机及高压直流输电装置（HVDC)是产生间谐波的主要电力设备[3_7]，分析研究这些设备的间谐波模型、产生机理及特性有助于物理分析验证和实际工程应用。根据产生原理的不同，将常见的间谐波产生设备分为变频装置、波动性负荷和风力发电机，下面将对这三种典型间谐波源的产生机理及其特性作以分析。作为开关器件组成的变频装置与传统的电气装置相比，具有经济和技术上的优势，按照变频原理可将变频装置分为交-直-交变频装置和交交变频装置。交-直-交变频装置广泛应用于交流电动机调速等方面，主要由整流环节、直流滤波环节和逆变环节构成，原理如图2-1所示。其中，直流滤波环节部分根据滤波器件的不同又分为电压型变频装置（VSI)和电流型变频装置（CSI),电压型变频装置（VSI)的直流侧并联大电容，整流器的输出电压相对平稳，相当于电压源；电流型变频装置（CSI)的直流侧串联大电感，输出电流相对稳定，相当于电流源。常见的交-直-交变频装置包括变频调速装置（VFD)、静止变频器（SFC)和高压直流输电装置（HVDC)等。7
第三章间谐波源识别的算法研究........ 29
3.1基于广义最小二乘回归的间谐波源识别....... 29
3.1.1广义最小二乘回归理论分析....... 29
3.1.2间谐波参数估计原理....... 30
3.1.3间谐波扰动的责任划分....... 31
3.1.4仿真验证 .......32
3.1.5实例分析.......34
3.2含分布式电源并网的间谐波源识别方法....... 36
3.2.1基于阻抗归算的间谐波源识别方法....... 36
3.2.2阻抗归算法的改进....... 38
3.2.3算例分析....... 40
3.3本章小结....... 42
第四章问谐波源检测与识别系统的设计....... 43
4.1检测与识别系统的软件设计....... 44
4.1.1软件设计平台及开发环境....... 44
4.2检测识别系统的硬件设计....... 52
4.3本章小结....... 55
结论
一、间谐波检测方法的研究还不够深入，截止目前还没有一种理想的间谐波参数估计方法。IEC标准和中国国家标准推荐的基于DFT算法的检测方法还存在着频谱泄露等问题，这种情况下可能产生“虚假间谐波“成分；同时，非同步检测也可能带来测量误差，这些都影响了间谐波源的识别和治理方面的研究。
二、在间谐波源的识别模型方面还有待进一步研究，本文提出的间谐波源识别方法均是建立在诺顿等效电路的基础之上，该识别模型相对简单，识别精度不足，可考虑进行更高精度的间谐波源识别模型研究。
三、在间谐波源治理方面还有待进一步的研究。现有的间谐波抑制方法主要还是无源滤波器，由于间谐波具有频域分散性，使得间谐波的抑制方法与谐波谐波相比较为复杂，因此有必要对抑制方法进行更深入的研究。
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