[科普中国]-间谐波成分

简介

闪变的检测主要分为包络线检测和频率幅值确认两大类。平方解调法、整流检测法和有效值检测法能检测出稳定的单一频率调制的正弦电压波动信号，在处理时变的非正弦电压波动信号时可能带来误差。Hilbert 变换是一种非平稳信号处理方法，能够快速提取出闪变的包络；当信号畸变程度较大时会影响测量精度，需要首先进行去噪处理。Prony算法是一种基于最小二乘法的线性拟合方法，所需原始数据较少，实时性较高；但对噪声较为敏感，且存在迭代不收敛的问题。调幅波中各频率分量参数的精确估算是准确衡量闪变严重度的前提，需要用频谱方法准确得到调幅波中的定量信息。传统FFT 算法处理非平稳信号时存在频谱泄漏问题，直接检测闪变信号，由于调制分量频率很低，很难将其与低频噪声区分开来，分析结果精度受到影响。从电压闪变形成的公式出发，讨论了由电压闪变转化的间谐波对具有的特点，并基于此区分引起闪变的调幅波和一般间谐波。

讨论了间谐波与闪变的关联性，并基于IEC 61000-4-7 推荐的采样窗口长度和形状提出一种基于频谱估计的电压闪变估计方法，能够在检测间谐波的同时得到闪变参数及其评价指标。首先由电压闪变形成的公式得到调幅波-间谐波对的双边带特性；考虑电压闪变最大觉察频率范围确定间谐波对频率阈值。由电力畸变分量共生机理可知：间谐波初相位会影响其与基波的调制效应，不能忽略；间谐波与基波调制可表示为AM调制信号和PM调制信号的叠加；调幅波与基波调制为单纯的AM调制且其转化的间谐波对满足双边带特性和间谐波对频率阈值，由此可区分间谐波对和一般间谐波分量，通过正弦载波的幅度调制求得电压闪变信号的参数。奇数频点插值修正方法能够有效地分离信号中的谐波和间谐波成分、抑制它们之间的频谱干扰。仿真算例对简单闪变信号、含有高频间谐波和噪声的多频闪变信号分别进行检测，并与平方法和Prony 方法进行了对比分析，验证了该方法的有效性和准确性1。

电压波动与闪变由于闪变是对电压波动的幅值、频率和相位通过白炽灯后人眼视感的反应，所以产生闪变的根本原因是电压波动的幅值、频率和相位。因此重点讨论电压波动的幅值、频率和相位，不分别讨论均方根波动和峰值波动。

通常电压波动被看成以工频电压为载波，其电压的均方根值或峰值受到以电压波动分量作为调幅波的调制。

随着高电压、大容量冲击性或波动性设备的大量使用，谐波和间谐波的污染严重增加，还引起了闪变等电能质量问题，造成电网信号严重畸变。

提出任意电力系统畸变信号都能用幅度调制（AM）和相位调制（PM）的形式解释。当两频率分量幅值相等，频率关于基波对称时：如果相位相加为基波相位的两倍，则为单纯的幅度调制（AM）；如果相位相加为π，则主要为相位调制（PM）。由上可知，间谐波的初相位会影响信号调制，因此不能忽略。

引起闪变的调幅波与间谐波的不同点：调幅波引起的闪变部分只有幅度调制，其转化的间谐波对具有双边带特性，且频率处于15~85Hz内（50Hz系统）；间谐波引起的闪变部分为幅度调制和相位调制的叠加，因此其幅值、频率和相位都不满足双边带特性且频率没有限制。

当电压信号中含有两个间谐波时，要产生单纯的幅度调制或相位调制，频率、幅值、相位都需要达到相当苛刻的条件，实际工程中很难达到。因此可根据以上结论区分由调幅波转化的间谐波对和信号中本身存在的间谐波。

奇数频点插值修正方法奇数频点插值修正法是一种高分辨率算法，它对噪声不敏感，在通过插值解决栅栏效应的同时抑制谐波之间、谐波与间谐波之间的旁瓣频谱干扰，并能准确提取出信号中微弱成分，计算精度高2。

基于奇数频点插值修正算法的电压闪变检测闪变信号通过三角变换可表示为基波和其他频率分量的叠加；间谐波与基波调制可表示为AM 调制信号和PM 调制信号的叠加；调幅波与基波调制为单纯的AM 调制，则其转化的间谐波对满足双边带特性和间谐波对频率阈值。因此可以根据该间谐波对的特性将其从电压信号中提取出来，再通过信号转化等式求出对应的调幅波参数。

首先将信号自乘求平方，然后通过0.05~35Hz的带通滤波器。因此，频率为89Hz和225Hz的间谐波分量都被滤除掉，但89Hz的间谐波处于间谐波频率阈值内属于引起闪变的间谐波，却无法被检测。由此可见，平方法由于带通滤波器导致其无法检测引起闪变的部分间谐波参数。

方法2对该复杂闪变信号用时0.765s却只能检测出5个频率分量的频率值且误差较大，而其幅值和相位无法得到。由于该复杂闪变信号含有多个频率分量，导致Prony算法不收敛；且间谐波幅值较小，而Prony算法对噪声的抑制能力较弱，无法准确提取微弱的间谐波分量。结合双边带特性和间谐波/间谐波对频率阈值提取出调幅波转化的间谐波对，根据信号转化等式求得调幅波参数。

该复杂闪变信号中各频率分量间隔很小，幅值均低于基波幅值的10%且幅值相近。上述仿真结果表明本文方法通过插值解决同步问题并且能够克服多个频率分量的相互干扰，准确度高，能够有效测量含有微弱分量的复杂信号。电力系统信号中，理论上调幅波转化的间谐波对的频率和基波频率对称、幅值相等。

总结（1）讨论间谐波与闪变的关联性，提出一种基于频谱估计检测电压闪变的方法，能够在测量间谐波的同时得到闪变参数，便于实际工程应用，如风电的闪变测量等。

（2）基于IEC61000-4-7推荐的采样窗口长度和形状已被国标GB/T17626.7-2008推荐采用，增加了方法的通用性。

（3）奇数频点插值修正方法在通过插值的同时抑制旁瓣泄漏；能准确提取出信号中的微弱成分，计算精度高；抗噪能力强，在低信噪比条件下仍能精确检测间谐波信号参数。

（4）主要讨论的是基频被调制的情况，在多数情况下是符合实际的。但当间谐波幅值被放大后，其与谐波调制产生的闪变可能处于支配地位。如何更加完善的检测电压闪变的参数，有待进一步深入研究3。