電力系統(tǒng)中的間諧波頻譜分析.pdf

1、電能是現(xiàn)代社會最重要的二次能源，無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還是人們的日常生活都離不開電能。因此，電網(wǎng)的穩(wěn)定安全和電能質(zhì)量水平都直接影響國民經(jīng)濟。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種用電負荷大量涌入電網(wǎng)，其中很多是非線性負載和沖擊性負載，產(chǎn)生了很多新的電能質(zhì)量問題。這些問題不僅威脅電網(wǎng)的安全運行也影響用戶的正常使用。諧波問題是電網(wǎng)中常見的電能質(zhì)量問題，供電部門和用戶對諧波都已有充分的認識，但電網(wǎng)中除了整數(shù)次諧波外還存在非整數(shù)次諧波——間諧波。間諧波除了造

2、成與諧波相同的危害外還會引起照明設(shè)備閃變、干擾甚至損壞無功補償或濾波裝置等特有的危害。因此，間諧波問題也必須引起足夠重視。 治理電力系統(tǒng)中的間諧波，前提是要準確的分析間諧波的頻譜。目前IEC標準中關(guān)于間諧波分析的主要有IEC61000—4—15中的閃變儀和IEC61000—4—7與IEC61000—4—30中的基于離散傅立葉變換的諧波、間諧波分族的方法。除此之外，AR模型、神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機和小波分析等也都應用于間諧波分析。但

3、這些方法存在分析范圍窄、時間窗長、易受噪聲干擾或頻譜泄漏混疊等問題，為此，本文提出了一種基于空間譜分析的超分辨率方法。本文主要內(nèi)容如下： （1）本文綜述了對間諧波的認識，其中包括定義、危害和限值等，并結(jié)合實際經(jīng)驗，詳細介紹了每一種間諧波源：變頻裝置、感應電機、電弧爐、軋鋼機和音頻控制信號。針對間諧波與閃變的關(guān)系進行了深入研究，建立IEC閃變儀的仿真模型測試其對間諧波的檢測能力及測量范圍，建模分析了間諧波引起電壓有效值波動和峰值波

4、動的機理及對不同照明設(shè)備的影響。 （2）結(jié)合實例指出了IEC間諧波的分族方法在間諧波頻率確定、相鄰間諧波識別、同步采樣、矩形窗和處理時變信號等方面存在的不足。即使通過先將采樣數(shù)據(jù)補零獲得更光滑的頻譜曲線估計譜峰，再應用加窗插值進一步校正間諧波頻率的改進方法，仍存在所需數(shù)據(jù)長度過長、臨近譜峰難以區(qū)分等問題。AR模型雖然可以突破頻率分辨率的限制，但其受階數(shù)和噪聲的嚴重影響；自適應神經(jīng)網(wǎng)絡在訓練權(quán)值前，神經(jīng)元的初始設(shè)定是以插值傅立葉變

5、換結(jié)果為基礎(chǔ)；支持向量機分析間諧波時需要做高維的線性回歸，并且頻譜泄漏嚴重；小波分析在時間軸上滑動不同通帶的濾波器獲得間諧波譜峰，但小波分析在各頻段混疊嚴重，頻率分辨率不高。解決上述方法的困難，需要事先估計間諧波參數(shù)模型正弦成分數(shù)，因此本文將空間譜分析引入到間諧波的分析中。 （3）介紹了空間譜分析的數(shù)學模型，證明了間諧波信號經(jīng)歐拉公式或希爾伯特變換后可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g線性陣列接收的空域信號，正弦成分數(shù)對應空域信號源數(shù)，正弦成分頻率對

6、應空域信號頻率。由于間諧波信號等效的空域陣列接收數(shù)據(jù)也滿足陣列模型的統(tǒng)計特性，并且其變換后的空域信號之間互不相干，可以應用空間譜理論分析間諧波。 （4）應用空間譜分析中的信號源數(shù)估計方法來確定間諧波參數(shù)模型中的正弦成分數(shù)。這些算法有信息論方法、蓋氏圓盤方法和典型相關(guān)方法。信息論方法提出了基于最大似然的判別信號源數(shù)的AIC、MDL和HQ準則；蓋氏圓盤方法通過酉陣變換將協(xié)方差矩陣中對應信號和噪聲的蓋氏圓盤互相分開，并且噪聲蓋氏圓盤半

7、徑遠小于信號的蓋氏圓盤半徑；典型相關(guān)方法是通過判斷兩個空間不同線陣接收數(shù)據(jù)的典型相關(guān)系數(shù)來獲得信號源數(shù)。經(jīng)仿真測試說明信息論中的MDL準則、蓋氏圓盤方法和典型相關(guān)方法都適用于間諧波參數(shù)模型的正弦成分數(shù)估計。 （5）信號源數(shù)的準確估計可以使子空間類算法準確地劃分信號子空間和噪聲子空間，利用信號子空間和噪聲子空間互相正交或利用信號子空間旋轉(zhuǎn)不變性質(zhì)估計正弦成分（間諧波）的頻率。分析時主要應用子空間類算法中的Root—MUSIC算法和

8、TLS—ESPRIT算法，其中Root—MUSIC算法不像MUSIC算法那樣需要進行譜峰搜索，可以直接求解正弦成分的頻率。通過計算多級維納濾波器可以直接獲得信號子空間的信息，無需對協(xié)方差矩陣做特征值分解，使ESPRIT算法計算量顯著減少，然后通過總體最小二乘法考慮總體擾動就可以求出正弦成分的頻率。仿真試驗說明了Root—MUSIC算法和TLS—ESPRIT算法分析正弦成分頻率的性能。 （6）最后，在幅值和相位信息估計后，本文提出