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光伏發電站諧波及間諧波相關概念詳解

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  • 發布時間: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概念,經常困擾著電能質量測試工程師,本文依據國家能源局發布的NB/T32006-2013光伏發電站電能質量檢測技術規程相關規定,通過傅里葉頻譜對上述諧波相關概念進行直觀的描述,并給出相關計算公式。

  事實上,依據傅里葉變換的相關描述,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:

包含諧波與間諧波的一個函數表達式

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

  即,該函數表達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,上述結論毫無爭議。

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

  因為,電網的基波頻率為50Hz,已是約定俗成!

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

  于是,該函數表達的信號的頻譜描述變為:

  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遠不夠!

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

  上述原因導致傅里葉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果也將發生變化。為了統一衡量標準,計算上述諧波相關參量時,NB/T32006-2013光伏發電站電能質量檢測技術規程將傅里葉時間窗固定為200ms。

  值得注意的是,該規程規定測試帶寬不小于10MHz是沒有道理的。

  第一、規程關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、依據目前技術,電壓、電流傳感器的帶寬很難達到10MHz。

  第三、規程規定的采樣頻率為20kHz,若采用實時采樣技術,帶寬應限制在10kHz以內,即便采用等效采樣技術,20kHz采樣率也很難實現10MHz信號的復現。

  言歸正傳,現在,我們用200ms的傅里葉時間窗,進過傅里葉變換,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倍,代表各次諧波的幅值;

  較細的譜線的頻率為基波頻率的分數倍,代表各間諧波的幅值,某些文獻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、光伏發電站高頻分量頻譜示意圖

圖3、光伏發電站高頻分量頻譜示意圖

  【擴展閱讀】WP4000變頻功率分析儀——可測量光伏發電站諧波、間諧波、諧波群、間諧波群、諧波中心子群、間諧波中心子群及2.1kHz~8.9kHz高頻分量的諧波檢測儀。



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