技术研发　ＴＥ（　０ＬｏＧＹ　ＡＮＤ　Ｍ＿Ａｌ　匝Ｔ　Ｖｏ１．２０，Ｎｏ．８，２０１３　

配电系统谐波检测方法的研究综述　

陈锦胜　

（广东电网公司东莞供电局，广东东莞　５２３１４０）　

摘　要：随着配网的日益发展，电力系统的谐波对电能质量的危害受到关注的程度也日益提高。归类并分析了现有各　

种谐波检测方法，从它们的检测精度、速度、延时和实时性作出简要综述。最后利用Ｍａｔｌａｂ系统中傅里叶快速变换对谐　

波进行仿真分析。　

关键词：谐波检测；快速傅里叶变换；Ｍａｔｌａｂ系统；谐波仿真　

Ｔｈｅ　Ｏｖｅｒ　Ｖｉｅｗｏｆ　Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　Ｆｏｒ　Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　Ｉｎ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＣＨＥＮ　Ｊｉｎ—ｓｈｅｎｇ　

（Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｄｏｎｇｇｕａｎｇ　５２３　１４０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｈａｒｍ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉ￣ａｌｅ　

ａｌｓｏ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｖａＹｉｏＨｓ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｃｃｕｒａｃｙ，ｓｐｅｅｄ，ｄｅｌａｙ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｍ　ａｎｄ　

ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｌｅ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ　ｕｓｉＩ　ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ；ＦＦＦ；Ｍａｔｌａｂ　ｓｙｓｔｅｍ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１３．０８．０２４　

０引言　

一般而言，一个理想的电力系统是以单一而固定的频率　

（５０　Ｈｚ）以及规定的固定幅值的电压水平供电。然而，电网通　

常不能满足以上要求，实际上由于电力电子元器件的广泛应　用，工业生产中的大功率换流设备、电压自动调整设备、电弧　

炉、非线性负载等将不可避免地产生谐波，导致电压、电流波　

形发生了严重畸变。　

电力系统谐波是非正弦波，其频率为基波频率的整数倍　

（ｎ），ｎ为谐波次数。我国电力系统的额定频率为５Ｏ　Ｈｚ，则基　

波频率为５０　Ｈｚ，２次谐波频率为１００　Ｈｚ，３次谐波频率为　

１５０　Ｈｚ，如此类推。在一定供电条件下，有些用电设备也会出　

现非整数倍谐波，称为间谐波或分数谐波。谐波实际上就是　

一项干扰量。现在，因谐波引起的正弦电压和电流的波形畸　

变已成为电能质量危害的主要原因之一。　

谐波检测包括对电力系统中不同点的电压和电流信号的　

采集和处理。被采集的信号通常都是高电压和大电流，因此，　

它们在流入仪器和处理之前，需要通过很大的变比将其降低。　

被采集的信号一旦进入了控制室，谐波频谱对电压和电流信　

号处理的影响不容忽视，所以对电压和电流谐波检测方法的　

研究十分重要。　

１　电压／电流谐波的检测方法　

谐波检测方法能够直接影响有源电力滤波器的滤波补偿　

效果，如果谐波电流检测得越准确，补偿的精度就会越高，谐　

波电流检测就越快，补偿的动态响应也会越迅速。因此，不断　

地提升谐波检测的准确性和实时性成为了国内外学者致力研　

究的目标。下面介绍几种典型的有源电力滤波器的谐波检测　

方法：　１．１基于瞬时无功理论检测法　

１９８９年，日本学者Ｈ．Ａｋ　等人提出瞬时无功功率理论，　

将有功功率和瞬时无功功率分解为交流和直流，其交流部分　

对应于偕波电流，由此可以计算谐波分量。基Ｐ—ｑ法、ｉｐ—ｉｑ　

法能够准确测量对称的三相三线制电路谐波值。它不仅在电　

网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，而在电　

网电压畸变时，使用此法测量谐波存在较大的误差。由于此　

理论基于三相三线制电路，首先必须构建三相电路才能进行　

谐波测量。这种方法的优点是，当电网电压对称且无畸变时，　

各电流分里基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量　

的测量电路比较简单，并且延时少，虽说被测量对象电流中谐　

波构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但延时最多不　

超过一个电源周期，对于电网中最典型的谐波源一一ｊ相整　

流器，其检测的延时约为１／６周期。可见，该方法具有很强的　

实时性。但硬件多、花费大。针对此方法的缺点，有学者提出　

一种能适用于任意非正弦、非对称三相电路的基于ｄｑＯ坐标系　

广义瞬时无功功率的新理论的测量方法。该方法在目前条　

件下，由于耗费大，用这种方法是得不偿失的。　

１．２基于有功分离（理想传输量）的谐波检测方法　此方法是基于电流表达式经过数学推理变换，达到从仟　

意波形电流中分离出基波有功电流、基波无功电流和谐波电　

流的目的。根据这种方法设计的检测电路不需要固定频率的　

滤波器，只需要两个积分器与两个增益就可以了，结构简单。　

优点：具有很好的动态响应和畸变电流检测精度，对变化的负　

载有自适应能力。　

Ｉ＿３频率分析法（基于傅里叶变换）　

随着计算机和微电子技术的发展，基于傅早叶变换的凿　技术与市场　技术研发　２０１３年第２０卷第８期　

波检测是当今应用最多也是最广的一种方法，它由离散傅里　

叶变换过渡到快速傅里叶变换的基本原理构成。模拟信号经　

采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析　

和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的　

信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析　

等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。　

使用此方法测量谐波精度较高，功能较多，使用方便。其缺点　

是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需　

花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间延时，　检测结果实际是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。　

而且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号　

频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量　精度的要求，必须对算法进行改进，以达到要求值。　

１．４自适应检测方法　该方法利用自适应信号处理中的噪声对消法，将基波分　

量视作噪声，从负载电流中消除，采用ＬＭＳ算法（Ｌｅａｓｔ　Ｍｅａｎ　

Ｓｑｕａｒｅ最小均方差）得到补偿电流值。该方法计算量小，精确　

性高，检测误差小，有较好的自适应性，但其动态响应较慢。　

如果对谐波动态响应要求不高时，不失为一种很好的谐波检　

测方法。　

１．５基于神经网络的谐波检测方法　神经网络理论是最近发展起来十分热门的交叉边缘学　

科，它涉及生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有非常广　

阔的应用前景，它的发展对未来科学技术的发展将有重要的　

影响。神经网络就是采用物理可实现的系统来模仿人脑神经　

网络的结构和功能系统，它之所以受到人们的普遍关注，是由　

于它具有一定的映射能力及自适应和自学习等能力。将神经　

网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法　

的选择，训练出最优种群，将要计算的数据输入训练好的神经　

网络种群里，从而得出研究成果。神经网络理论目前广泛应　

用在电力系统中，包括谐波分析。　

１．６基于小波分析的谐波检测方法　小波分析作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成　

果，它无论是对数学还是对工程应用都产生了深远的影响，小　

波分析已经广泛应用于数学、信号处理、语音识别与合成、自　

动控制、图象处理与分析等领域。小波分析被认为是傅里叶　

分析发展的新阶段，它来自于傅里叶分析，其存在性的证明依　

赖于傅里叶分析。因此，它不能代替傅里叶分析，但它所具有　

的优良特性（如方向选择性、可变的时频域分辨率及分析数据　

量小等）是其他分析方法（傅里叶分析、快速傅里叶变换）无法　比拟的。这些良好的分析特性使得小波变换已成为信号处理　

的一种强有力的新工具。小波分析克服了傅里叶分析在频域　

完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时　

域同时具有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高　

次谐波变换投影到不同的尺度上会明显表现出高频、奇异高　

次谐波的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的　

特性，分析了电流信号的各个尺度的分解结，利用多分辨的概　

念，将低频段（高尺度）上的结果看作不含谐波的基波分量。　

基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，该方法计算　速度快，能快速跟踪谐波的变化。若将小波变换和神经网络　

结合起来对谐波进行分析，并设计和开发基于小波变换的谐　波检测仪将会是非常有意义的工作。　

１．７带通滤波器或带阻滤波器检测法（模拟滤波器）　

最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将　

基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波　

分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法的优点是结　

构简单，造价低，输出阻抗低，结果易于控制，该方法也有许多缺　

点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响　

较大，难以获得理想的幅频和相频特性。当电网频率发生波动　

时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含较多的基波　

分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。　

１．８基于现代控制理论的检测方法　基于Ｐ—Ｉ控制、滑模控制、模糊控制等现代控制理论，采　

集到逆变器直流侧的电压或电流，求出所需电流基波有功分　

量幅值，计算出所需补偿电流的指令值，进行实时补偿。此方　

法属于非主流谐波检测方法，使用用户少，可借鉴性差。　

为了能够有效的检测电网中的谐波分量和无功电流，减少　

谐波危害，选择一种易于实现、实时性好、计算量小、可靠性强、　

精度高等优点的谐波检测方法是有源电力滤波器首要解决的　

问题。目前，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时性好，　

延时小，既能检测谐波又能补偿无功；基于傅里叶快速变换　

（ＦＦＴ）的谐波检测法，在谐波检测、无功补偿和频谱分析方面，均　

获得较广泛的应用，这两种是目前采用的主要方法。基于神经　

网络的自适应谐波检测法和基于小波分析的谐波检测法则是　

极具潜力的新型谐波检测法，是检测方法发展的趋势。　

２电力谐波基于ＦＦｒ的仿真　

ＦＦＴ是快速傅里叶变换的简称。下面采用Ｍａｔｌａｂ系统进　

行仿真，Ｍａｔｌａｂ是目前非常流行的具有很强科学计算和图形界　

面的软件系统，在工程技术领域已得到了广泛应用。特别是　

利用Ｍａｔｌａｂ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境，可方便地搭建系统模型，获　

得良好的分析效果。　

表１　以一个工业电力系统为例，基波为５０　Ｈｚ　

谐波次数　幅值／Ａ　相位／（。）　

１　３８０．０１　０　

３　２．０３　６０　

５　３．１５　１３５　

７　１．（）７　１５８　

９　４．２９　０　

ｌ１　１６．１１　６０　

１３　２．ｏ３　０　

根据表１数据，可设信号表达式为：　

（ｔ）＝三　：１Ａ　ｓｉｎ（／／ＣＯｔ＋　）　

式中／Ｚ为谐波次数，ｎ＝１，３，５…１３，利用Ｓｉｍｔｔｌｉｎｋ的ＦＦｒ　Ａｎａｌ—　

ｙｓｉｓ工具，设当取采样频率ｆｓ＝５　０００　Ｈｚ、采样点数ＮＦＦＦ＝１００　

时，根据上式编写程度来模拟电网的电流原始信号，得到波　形，如图１所示；得到信号频谱，如图２所示。　

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