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光伏發(fā)電站諧波及間諧波相關(guān)概念詳解

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  • 發(fā)布時間:2014/11/15 22:21:09
  • 作者:AnyWay中國

  諧波、間諧波、諧波群、間諧波群、諧波中心子群間諧波中心子群等諧波相關(guān)概念,經(jīng)常困擾著電能質(zhì)量測試工程師,本文依據(jù)國家能源局發(fā)布的NB/T32006-2013光伏發(fā)電站電能質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程相關(guān)規(guī)定,通過傅里葉頻譜對上述諧波相關(guān)概念進(jìn)行直觀的描述,并給出相關(guān)計算公式。

  事實上,依據(jù)傅里葉變換的相關(guān)描述,對于周期信號而言,只存在直流分量、基波及頻率為信號頻率整數(shù)倍的諧波,根本不存在間諧波,也就不存在間諧波群、間諧波子群等概念,而沒有間諧波、諧波群和諧波中心子群等概念也就沒有存在的價值。

  那么,間諧波又是怎么回事呢?

  請看下述函數(shù):

包含諧波與間諧波的一個函數(shù)表達(dá)式

  顯然,該函數(shù)表示的信號的周期為200ms,其基波頻率為5Hz,基波有效值為4,該函數(shù)還包含頻率為50Hz,有效值為220的10次諧波。

  即,該函數(shù)表達(dá)的信號的頻譜描述為:

  基波頻率為5Hz,基波有效值為4,包含頻率為50Hz的10次諧波,50Hz諧波有效值為220。

  從周期信號傅里葉變換的角度看,上述結(jié)論毫無爭議。

  但是,當(dāng)我們知道,上述函數(shù)描述的是電網(wǎng)的電壓信號時,我們很難接受電網(wǎng)的基波頻率為5Hz,而50Hz是其10次諧波的說法。

  因為,電網(wǎng)的基波頻率為50Hz,已是約定俗成!

  諧波是指頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量,5Hz分量的頻率是50Hz基波頻率的小數(shù)倍(分?jǐn)?shù)倍),我們稱其為分?jǐn)?shù)諧波或間諧波。

  于是,該函數(shù)表達(dá)的信號的頻譜描述變?yōu)椋?/span>

  基波頻率為50Hz,基波有效值為220,包含頻率為5Hz的間諧波,5Hz間諧波有效值為4。

  上述例子中,從不同角度看問題:

  基波搖身一變成了間諧波,而諧波成了基波!

  間諧波和諧波的概念,是理想與實際的差異導(dǎo)致的我們對一個事物采用的不同描述方式。然而,在實際測量中,光有諧波和間諧波的概念還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠!

  實際電網(wǎng)信號不是理想的周期信號,即便是較為嚴(yán)格的周期信號,測量前間諧波頻率為未知量。

  上述原因?qū)е赂道锶~時間窗很可能不等于信號的周期(最低頻率間諧波的周期)的整數(shù)倍,也就是很可能不是整周期截斷,而非整周期截斷,必然帶來頻譜泄露,頻譜泄漏后,頻譜上將出現(xiàn)虛假的譜線。這種情況下,單根譜線不能反映真實情況。

  于是,我們將一組間諧波的方和根值來反映某個頻段的間諧波情況,將諧波及諧波兩側(cè)一組間諧波的方和根值來反映某個頻段的諧波情況,于是,又引入了間諧波群諧波群的概念,考慮到頻率泄露對不同間諧波的不同影響,去除諧波群或間諧波群一些特定的間諧波,引出了間諧波中心子群諧波中心子群的概念。

  不同的傅里葉時間窗,將得到不同的頻譜,諧波、間諧波、諧波群、間諧波群、諧波中心子群、間諧波中心子群的計算結(jié)果也將發(fā)生變化。為了統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn),計算上述諧波相關(guān)參量時,NB/T32006-2013光伏發(fā)電站電能質(zhì)量檢測技術(shù)規(guī)程將傅里葉時間窗固定為200ms。

  值得注意的是,該規(guī)程規(guī)定測試帶寬不小于10MHz是沒有道理的。

  第一、規(guī)程關(guān)注的最高諧波或間諧波頻率為8900Hz。過高的帶寬沒有意義。

  第二、依據(jù)目前技術(shù),電壓、電流傳感器的帶寬很難達(dá)到10MHz。

  第三、規(guī)程規(guī)定的采樣頻率為20kHz,若采用實時采樣技術(shù),帶寬應(yīng)限制在10kHz以內(nèi),即便采用等效采樣技術(shù),20kHz采樣率也很難實現(xiàn)10MHz信號的復(fù)現(xiàn)。

  言歸正傳,現(xiàn)在,我們用200ms的傅里葉時間窗,進(jìn)過傅里葉變換,得到了如下圖所示的,包含1781根譜線的頻譜。

諧波、間諧波及高頻分量頻譜示意圖

圖1、諧波、間諧波及高頻分量頻譜示意圖

  其中,第一根譜線的頻率為0Hz,代表直流分量的幅值,某些場合也稱直流分量為0次諧波。

  傅里葉時間窗決定了頻譜的頻率分辨力為5Hz,因此,相鄰兩根譜線之間的頻率差為5Hz。

  加粗的譜線的頻率為基波頻率的整數(shù)倍,代表各次諧波的幅值;

  較細(xì)的譜線的頻率為基波頻率的分?jǐn)?shù)倍,代表各間諧波的幅值,某些文獻(xiàn)稱低于基波頻率的間諧波為次諧波

  以n次諧波譜線為中心,左右各4根譜線及第五根譜線的1/2加上n次諧波的方和根為n次諧波群;

  n次諧波譜線及n+1次諧波譜線之間的所有間諧波的方和根代表n次間諧波群;

  以n次諧波譜線為中心,左右各1根譜線加上n次諧波的方和根為n次諧波中心子群;

  間諧波群代表的間諧波組左右各去除一根譜線,求方和根,得到n次間諧波中心子群。

諧波群、間諧波群、諧波中心子群及間諧波中心子群頻譜示意圖

圖2、諧波群、間諧波群、諧波中心子群及間諧波中心子群頻譜示意圖

  在光伏發(fā)電站中,40次以上的諧波,稱為高頻分量,高頻分量采用類似諧波群的方式進(jìn)行描述,與諧波群不同之處在于:

  1、高頻分量以從2.1kHz開始,以200Hz為寬度進(jìn)行頻帶分組,最高頻率的高頻分量的中心頻率為8.9kHz。

  2、計算高頻分量時,傅里葉時間窗取100ms。

圖3、光伏發(fā)電站高頻分量頻譜示意圖

圖3、光伏發(fā)電站高頻分量頻譜示意圖

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