企業(yè)電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)的分析與設計畢業(yè)設計.doc

畢業(yè)設計（論文）題 目企業(yè)電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)的分析與設計 系 （院）電氣工程學院專 業(yè)電氣工程與自動化班 級學生姓名學 號指導教師 職 稱二一四年六月二十日獨 創(chuàng) 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計(論文)，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。據(jù)我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名: 二一四年 月 日畢業(yè)設計（論文）使用授權(quán)聲明本人完全了解xxx關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定。本人愿意按照學校要求提交學位論文的印刷本和電子版，同意學校保存學位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復制手段保存設計（論文）；同意學校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務系統(tǒng)，公布設計（論文）的部分或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名: 二一四年 月 日濱州學院本科畢業(yè)設計（論文）企業(yè)電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)的分析與設計摘 要在我國工業(yè)的不斷發(fā)展中，企業(yè)電網(wǎng)將面臨著一大挑戰(zhàn)。隨著越來越多的非線性和多樣性的電力電子裝置進入電網(wǎng)，越來越多的諧波污染也會隨之而來，這將會嚴重的影響電能質(zhì)量。因此，抑制諧波有著不可忽視的意義。而諧波檢測是進行抑制的重要步驟之一，我們要先有效且實時的檢測出諧波，這樣對抑制諧波是很有重要性。本文是針對諧波電流檢測來展開的分析與設計。本篇文章主要是對電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)的分析與設計，首先介紹了諧波電流檢測的研究目的、國內(nèi)外諧波檢測的分析與發(fā)展趨勢和介紹了抑制諧波的方法；然后對電網(wǎng)諧波電流檢測進行相關分析，介紹了電網(wǎng)諧波的基本概念、諧波產(chǎn)生的原因及帶來的危害和電網(wǎng)諧波的標準；其次介紹了瞬時無功功率理論原理、坐標變換的分析、諧波檢測的幾種方法比較和基于算法的諧波電流檢測；完成 檢測方法的改進和軟件仿真，同時主要介紹了改進后方法的優(yōu)點和原理；對各個模塊的電路結(jié)構(gòu)分析，并把仿真模型按照檢測原理連接起來，最后進行仿真，得到仿真結(jié)果后進行分析總結(jié)；最終總結(jié)與展望，文章更具實用性，而且減少錯誤的出現(xiàn)。關鍵詞： 諧波電流，瞬時無功理論，檢測方法，MATLABEnterprise Grid Harmonic Current Detection System Analysis and DesignAbstractWith the continuous development of Chinese industrial, enterprise grid will be faced with a challenge. As more and more non-linear power electronic device and diversity enter the power grid, more and more harmonic pollution is also coming, which will seriously affect the power quality. Therefore, it is of significance to suppress harmonic wave. And harmonic detection is one of the important steps of suppression. We must detect harmonic efficiently and real-timely, which is of great importance to harmonic suppression. This article is aimed at the analysis and design of the harmonic current detection.This article is mainly about the analysis and design of the power grid harmonic current detection system. Firstly, I introduce the research purpose of harmonic current detection, the analysis of the harmonic detection, the development tendency at home and abroad and the method of restraining the harmonics. Then this article makes correlation analysis to harmonic current detection of power grid, and introduces the basic concept of grid, the causing reason and accompanying harm of the harmonic and harmonic standards of power grid. Secondly I introduces the principle of instantaneous reactive power theory, the analysis of the coordinate transformation, several methods of harmonic detection and algorithm of harmonic current detection based on . Completing the improvement and the software simulation of the detection methods, and introducing the advantage and principle of the improved methods. The paper analyzes circuit structure of the various modules, and connects the simulation model according to the principle of detection. Finally, we conduct the simulation, then analyzing and summarizing the simulation results. The final task is summary and outlook. The article is more practical, and reduces the occurrence of errors. Key words: Harmonic current, Instantaneous reactive power theory, test method, MATLAB40目 錄第一章 緒論11.1 研究的目的及意義11.2 國內(nèi)外電網(wǎng)諧波檢測的研究現(xiàn)狀11.3電網(wǎng)諧波檢測與分析方法的發(fā)展趨勢21.4抑制諧波的方法分析31.4.1國外抑制諧波研究現(xiàn)狀31.4.2國內(nèi)抑制諧波技術(shù)現(xiàn)狀41.5本文的主要研究工作4第二章 電網(wǎng)諧波分析62.1 電網(wǎng)諧波的基本概念62.1.1諧波的數(shù)學表達式62.1.2衡量諧波的主要指標72.2諧波產(chǎn)生的原因及帶來的危害82.2.1產(chǎn)生諧波的原因92.2.2諧波對供配電線路的危害92.2.3諧波對電力設備的危害102.3電網(wǎng)諧波標準102.4本章小結(jié)11第三章 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法123.1瞬時無功功率理論的基本原理123.2電流檢測中坐標變換關系的分析133.2.1從三相靜止系到兩相靜止系的變換133.2.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換與兩相靜止坐標變換的關系143.3諧波檢測的幾種方法比較153.4基于算法的諧波電流檢測173.5本章小結(jié)19第四章 針對檢測方法的一種改進及MATLAB介紹204.1瞬時無功功率檢測方法改進后的優(yōu)點204.2 改進的瞬時無功功率檢測方法的原理分析204.3 MATLAB軟件的介紹224.4 simulink仿真環(huán)境的了解234.5 本章小結(jié)23第五章 基于瞬時無功功率的檢測方法的仿真分析255.1仿真模塊的編寫255.1.1三相坐標向兩相坐標轉(zhuǎn)換模塊255.1.2直流分量模塊的編寫與向三相坐標的轉(zhuǎn)換265.2 仿真模型搭建285.3仿真結(jié)果的分析與總結(jié)29第六章 結(jié)論與展望32參考文獻33謝 辭34附 錄35第一章 緒論1.1 研究的目的及意義近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速壯大發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人們生活水平的提高，已有大量的非線性負荷（如整流負荷、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、熒光燈、電力機車等）接入電網(wǎng)，給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染問題。由于這些非線性負荷在系統(tǒng)電壓作用下，供電的電流發(fā)生了畸變，這樣就含有大量的諧波成分。目前，電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴重，這樣不但降低了電能的質(zhì)量，而且還對電網(wǎng)的安全運行造成了威脅1。所以對電網(wǎng)諧波問題的分析與研究是一項具有重大意義的任務。電能質(zhì)量問題的提出由來已久，而衡量電能質(zhì)量的指標隨著電力事業(yè)的發(fā)展得到人們的關注1。在早期，電力負荷的組成都比較簡單，在20世紀80年代以來，越來越多的非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)在的企業(yè)中得到了廣泛的應用，使電網(wǎng)中的諧波也越來越備受關注。諧波的污染給企業(yè)帶來很大的不利，目前，隨著全人類環(huán)保意識的加強，對電網(wǎng)諧波污染的抑制也己成為電工科學技術(shù)界所必須解決的問題。這樣來看抑制諧波已成為我們必須接受的一項非常迫切的任務，而諧波檢測是諧波抑制中的關鍵技術(shù)，所以，我們先從諧波檢測入手，對電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)進行分析與設計2。諧波研究的意義，是因為諧波的危害是十分嚴重的，諧波使電能在生產(chǎn)、傳輸和利用的過程中效率降低，諧波不僅導致電能損耗增加和設備壽命縮短，使系統(tǒng)的功率因數(shù)降低；還會干擾保護繼電器、測量設備、控制和通訊電路以及用戶的電子設備等等，使靈敏的設備誤動或元件故障，影響電網(wǎng)的可靠性；由諧波引起的諧振也可能損壞設備，對電網(wǎng)的危害很大。諧波作為影響電網(wǎng)的一個重要因素，使得諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關注的問題。1.2 國內(nèi)外電網(wǎng)諧波檢測的研究現(xiàn)狀電網(wǎng)諧波檢測是分析諧波源、治理諧波的必要組成部分。國外對諧波問題的研究大約開始于五六十年代，當時的研究主要針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的諧波問題。到了七八十年代隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛的應用，諧波問題變得日益嚴重，從而引起了各國的重視。就在近幾十年間對諧波的研究已經(jīng)滲透到了數(shù)字信號處理、計算技術(shù)、系統(tǒng)仿真、電工理論、控制理論與控制技術(shù)、電力電子學等很多學術(shù)領域，已經(jīng)超出了電力系統(tǒng)的范疇，并且形成了特有的理論體系、研究分析方法、控制與治理技術(shù)、檢測方法與技術(shù)等。目前，諧波檢測也是一個非?；钴S的層面。在我國，對諧波問題起步比較晚，但是一直以來都在進步中，近年來我國在諧波檢測方面有了很大的進展3。現(xiàn)在應用到電網(wǎng)諧波檢測的方法有很多：（1）采用模擬帶通（或帶阻）濾波器測量諧波 （2）基于傅立葉變換的諧波檢測與分析（3）基于瞬時無功功率的諧波檢測分析（4）利用小波分析方法進行諧波檢測與分析（5）基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測與分析對于以上的方法會在后面章節(jié)中給出解釋，國內(nèi)外對諧波檢測方法的研究正在一步一步的完善，相信一定有很好的方法來解決當今的諧波問題。1.3電網(wǎng)諧波檢測與分析方法的發(fā)展趨勢 近年來諧波檢測在理論與實際中已取得了驕人的成績，然而隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及對電能質(zhì)量的要求越來越高，對諧波檢測方法也提出了更高的要求。使得諧波檢測的算法向智能化、多功能實用化進行發(fā)展，求解的方法從直觀的函數(shù)解析過渡到精確的分析和信號處理；諧波檢測的效果也在向高精度、高速度和實時性好的方向發(fā)展4。未來諧波檢測的主要發(fā)展趨勢如下：（1）諧波檢測對象研究從以穩(wěn)態(tài)諧波檢測研究為主轉(zhuǎn)向非穩(wěn)態(tài)諧波檢測。（2）諧波檢測算法向復雜化、智能化發(fā)展；諧波的求解方法向復雜的數(shù)值分析與信號處理方向發(fā)展，為解決非穩(wěn)態(tài)波形畸變等問題尋找新的算法。（3）充分利用現(xiàn)有各種諧波檢測方法的優(yōu)點，并且完善現(xiàn)有的諧波檢測理論體系，研究探索新方法，實現(xiàn)快速、暫態(tài)諧波跟蹤，是保障電力系統(tǒng)安全運行的需要。（4）諧波檢測實現(xiàn)技術(shù)研究將從模擬電路技術(shù)和不可編程數(shù)字電路技術(shù)轉(zhuǎn)向高速高精度的可編程器件技術(shù)尤其是ARM技術(shù)與DSP技術(shù)。近年來，這兩項技術(shù)業(yè)已成為主流的諧波檢測實現(xiàn)技術(shù)5。（5）諧波理論研究從以前的傳統(tǒng)諧波理論研究為主轉(zhuǎn)向通用諧波理論。1.4抑制諧波的方法分析諧波污染對電網(wǎng)的危害是很嚴重的，采取相應措施加以抑制減少其危害是我們研究諧波的最終目的。抑制諧波是一個非常活躍的領域，在國內(nèi)外都有對其進行深入的研究與分析。1.4.1國外抑制諧波研究現(xiàn)狀目前看來，抑制諧波仍然是熱門的研究，對于諧波的大量出現(xiàn)，國外已經(jīng)研制成功各種諧波測量分析儀，如德國產(chǎn)的NOWAI諧波分析儀、美國產(chǎn)的F40/41手持式諧波分析儀和英國產(chǎn)的PA系列高精度電力諧波分析儀等等。為了解決電力電子裝置和其它諧波污染問題，基本的思路有兩條，一是從治理諧波源本身入手，使其不產(chǎn)生諧波，功率因數(shù)為1。但由于諧波源的多樣性，這種方法還不是很完備；二是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的6。這種裝設諧波補償裝置來補償諧波的方法一般可分類為無源濾波器和有源濾波器兩種。（1）無源濾波裝置無源濾波裝置由電容器、電抗器，有的還包括電阻器等無源元件組成，從而能對某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達到抑制高次諧波的作用；將濾波器與動態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，可以既滿足無功補償、改善功率因數(shù)，又能夠消除高次諧波的影響，這是因為SVC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴大到容性區(qū)。國際上應用很廣泛的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頗帶與三階寬頻帶高通濾波器等。（2）有源濾波裝置有源濾波裝置，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進行補償或抵消。目前諧波抑制的趨勢是采用有源電力濾波器（APF-Active Power Filter），可以對諧波進行動態(tài)補償，而且可以既補諧波又補無功，補償?shù)奶匦圆皇茈娋W(wǎng)阻抗和頻率變化的影響，這樣可獲得比無源濾波器更好的補償效果，所以是一種理想的諧波補償裝置6。1.4.2國內(nèi)抑制諧波技術(shù)現(xiàn)狀我國在關于諧波抑制這方面的有源電力濾波器的研究起步較晚，是繼日本、美國德國等之后得到了學術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，投入了大量的人力和物力，但是如果與發(fā)達的國家相比較還是有一定的差距。從80年代我國開始大量的采用硅整流設備，尤其是鐵路電氣化的不斷進步，推動了硅整流技術(shù)的發(fā)展和應用。目前看來，非線性負荷的大量增加，使不少電網(wǎng)諧波超過了有關標準，并且還危及電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行等問題。就這樣，我國許多科研單位已經(jīng)開展了諧波研究工作，而且已經(jīng)取得了一些滿意的成果。但是我國在有源電力濾波器方面仍處于崛起階段，到1989年才有這方面的文章。總體來說，我國有源電力濾波技術(shù)在工業(yè)上的應用，仍然在進步階段，尤其是在既治理諧波又補償無功功率的HAPF系統(tǒng)方面，還有很多基礎理論與技術(shù)有待于深入探討。從近年來的研究與應用中我們可以看到APF的發(fā)展趨勢：（1）采用PWM調(diào)制技術(shù)和提高開關器件等效開關頻率的多重化技術(shù)，來實現(xiàn)對高次諧波的有效補償；（2）在經(jīng)濟方面，可采用APF和PF組成的混合型濾波系統(tǒng)，來減少APF的容量，可以達到降低成本、提高效益的目的；（3）在長遠來看，隨著半導體器件制造水平的不斷發(fā)展，混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢將逐漸消失，而串并聯(lián)APF由于其功能強大、性價比高，是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。1.5本文的主要研究工作越來越多的目光投入到諧波研究中，對電能質(zhì)量的要求也已經(jīng)越來越引起人們得關注，諧波及其抑制的重要性和諧波治理刻不容緩。要想抑制諧波從諧波檢測開始，本文就是對電網(wǎng)諧波電流檢測系統(tǒng)進行了研究，具體內(nèi)容安排如下：(1) 在第一章緒論中介紹了諧波的研究目的、意義、檢測的現(xiàn)狀、抑制的發(fā)展現(xiàn)及發(fā)展趨勢。(2) 在第二章中，對電力諧波的基本概念和數(shù)學表達式進行了闡述，研究了諧波產(chǎn)生的原因和諧波的危害，分析了衡量諧波的指標。(3) 對瞬時無功功率理論的檢測方法進行了分析，而且對檢測的幾種方法進行了比較分析，分析了算法理論。(4) 對于檢測方法的一種改進分析，對MATLAB做了簡單的介紹，同時也簡要了解了simulink的仿真環(huán)境。(5) 在第五章改進的方法仿真分析中，進行了模塊的編寫，將各個子模塊封裝后進行模塊的連接，進行仿真，得出結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果對文章進行了總結(jié)分析。(6) 對本文進行了總結(jié)和展望，給出了相關的參考文獻。 第二章 電網(wǎng)諧波分析介紹了諧波的基本概念，數(shù)學表達式，以及衡量諧波的指標，分析了諧波帶來的危害，電網(wǎng)的諧波標準等等對這一章進行了相關電網(wǎng)諧波的分析。2.1 電網(wǎng)諧波的基本概念諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。在進行傅立葉分解時除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波或分數(shù)諧波7。如：間諧波、次諧波和分數(shù)次諧波等，這些概念與諧波概念完全不同。諧波實際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。2.1.1諧波的數(shù)學表達式 諧波可以根據(jù)周期性波形，根據(jù)傅立葉級數(shù)分解得到。在供用電的系統(tǒng)中，一般認為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。在進行諧波分析時，習慣上認為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)的供電電壓波形為工頻正弦波形其數(shù)學式表示： (2-1) 式中-電壓有效值；-初相角；-角頻率；=-頻率；-周期。將正弦電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分的關系，仍然為同頻率的正弦波。但是如果將正弦電壓施加在非正弦電路上，電流就會變?yōu)榉钦也?，非正弦電流要在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，這樣會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。當然，若非正弦電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦波。一般來說傅立葉級數(shù)可以由任何周期性波形分解得來，這樣稱為諧波分析或頻域分析。諧波分析是計算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方法。對于周期為的非正弦電壓u,可以分解成如下形式的傅立葉級數(shù)8： (2-2)式中表示： (2-3) (2-4) (2-5)在傅立葉級數(shù)中頻率的分量稱為諧波，以非正弦電壓為例，頻率為的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情況也完全適用，把式中轉(zhuǎn)成即可。2.1.2衡量諧波的主要指標為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量有諧波含量、諧波總畸變率和第n次諧波的含有率9。1.諧波含量所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。我們可以得到諧波電壓、電流的諧波含量為： （2-6） （2-7）2. 諧波的總畸變率諧波總畸變率可分為電壓總畸變率，和電流總畸變率， 可分別定義為： （2-8） （2-9） 式中：-諧波電壓含量，且 -基波電壓有效值 -諧波電流含量,且 -基波電流有效值3.第n次諧波的含有率某次諧波分量的大小，常以該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為該次諧波的含有率，n次諧波電壓的含有率以(Harmonic Ratio )表示：（1）第n次諧波電壓含有率： （2-10） 式（2-10）中：為第n次諧波電壓有效值；為基波電壓有效值。 （2）第n次諧波電流含有率： （2-11）式（2-11）中：為第n次諧波電流有效值；為基波電流有效值。公用電網(wǎng)的電壓總畸變率應該被限制在35之內(nèi)。當電力系統(tǒng)中存在具有非線性的用電設備時，即使給這些設備供給理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在為了提高電能質(zhì)量，對諧波進行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和諧波的總畸變率限制到國家標準規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。2.2諧波產(chǎn)生的原因及帶來的危害諧波造成電網(wǎng)的污染，正弦電壓波形的畸變，使得電力系統(tǒng)的供用電設備出現(xiàn)了許多異常的現(xiàn)象和故障，諧波的污染日趨嚴重。產(chǎn)生諧波的原因有很多，隨著人們對諧波的研究越來越深奧，也越來越多的發(fā)現(xiàn)，對于諧波給我們帶來的危害我們要給予有效的抑制。2.2.1產(chǎn)生諧波的原因 諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中某些設備和負荷的非線性特性，即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性（正比）關系而造成的波形畸變。產(chǎn)生諧波的主要原因有兩方面：一方面是來自用戶的非線性負荷；另一方面是來自系統(tǒng)的影響。首先來自用戶的非線性負荷可以解釋為，非線性用電設備是產(chǎn)生諧波的主要原因，由于非線性設備產(chǎn)生的諧波電流通過系統(tǒng)網(wǎng)絡注入到系統(tǒng)電源中，發(fā)生畸變的電流流經(jīng)系統(tǒng)阻抗時使母線電壓發(fā)生畸變，使電能質(zhì)量受到污染。然后在來自系統(tǒng)的影響中：一是，系統(tǒng)中的交流發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子間存在著氣隙，由于受到鐵芯齒、槽或工藝的影響，分布不均勻，雖然說各相電勢的波形是對稱的，但是三相電勢中也會含有一定數(shù)量奇次諧波。二是，系統(tǒng)電網(wǎng)中含有大量變壓器的勵磁電流都含有奇次諧波的成分，當變壓器空載或過勵磁的狀態(tài)時會更為嚴重，并構(gòu)成了主要的穩(wěn)定性諧波源；三是，當電網(wǎng)中投入空載變壓器或電容器時，其合閘涌流注入電網(wǎng)也會形成突發(fā)性的諧波源。電網(wǎng)中作用在同一線路上的不同頻率的正弦電勢，使得電路中的電流成為各個不同頻率電流分量的疊加值，這樣就形成了諧波電流。2.2.2諧波對供配電線路的危害(1) 影響線路的穩(wěn)定運行 由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體發(fā)熱，破壞絕緣，嚴重會造成短路，甚至會引起火災。另外，由于輸電線路存在分布的線路電感和對地電容及無功電容等電感和電容，當它們與系統(tǒng)母線側(cè)組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，可能會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，從而導致在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓，嚴重時會使電力系統(tǒng)或用電設備的絕緣擊穿，因此而造成惡性事故。供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般都采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器對其進行檢測保護。諧波會使電磁式繼電器、感應式繼電器和晶體管繼電器誤動或拒動，這樣嚴重威脅了供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定及安全運行。 (2) 影響電網(wǎng)的質(zhì)量 電網(wǎng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。而且同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓。在民用配電系統(tǒng)中的中性線，如計算機等一類負載，會產(chǎn)生大量的奇次諧波；在三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波會在中性線上疊加，這樣中性線上的電流值可能就超過相線上的電流。2.2.3諧波對電力設備的危害電力設備主要包括電力電容器、電力變壓器和電力電纜，諧波對它們的危害也很大。當電網(wǎng)存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流會增加得更大，電容器損耗功率也會增加，會導致電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下使得絕緣介質(zhì)加速老化，影響電容器的使用壽命，嚴重時會引起電容器過負荷甚至爆炸。同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中形成電力諧波諧振，使電網(wǎng)的諧波加劇，出現(xiàn)諧波被擴大的現(xiàn)象，危害更大。同時，由于諧波電壓的存在增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，由于諧波電流的存在還增加了銅損，也會大大增加非對稱性負荷的變壓器勵磁電流的諧波分量,因此減少變壓器的實際使用容量。與此同時，諧波使變壓器噪聲增大，甚至會出現(xiàn)金屬聲。同時諧波對電力測量影響也較大。在目前，采用的電力測量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大，尤其是電能表，當諧波較大時將產(chǎn)生計量混亂，測量不準確。2.3電網(wǎng)諧波標準由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會對電網(wǎng)本身和用電設備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和將諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)，為了保證供電質(zhì)量。世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的標準，或者由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。各級電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來反映。很多國家對諧波制定了相應的國家標準，一些國家的電壓總諧波畸變率的大致范圍為：低壓電網(wǎng)(1kV),一般5%,個別3%、7%； 中壓電網(wǎng)(2477kV),一般2%5%,個別6%； 高壓電網(wǎng)(84kV及以上)，一般1%1.5%，個別2%5%。下表（2-12）是公用電網(wǎng)諧波電流（相電流）限值:表2-12電網(wǎng)中諧波電流的限制電網(wǎng)標準電壓（kv）電流總諧波畸變率 （%）各次諧波電壓總含有率（%）畸次偶次0.38 7.05.02.04.03.21.63.02.41.21102.01.60.82.4本章小結(jié)本章對電網(wǎng)諧波的基本概念、數(shù)學表達式、諧波來源及危害進行了討論，研究了電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因。還對衡量諧波的主要指標做了分析，為了更理解諧波對諧波的相關問題進行細致的分析。為進行電網(wǎng)諧波的分析及檢測和抑制奠定了基礎，進一步引出諧波電流檢測的分析。第三章 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法諧波檢測是諧波抑制中的關鍵技術(shù), 目前工業(yè)上廣泛采用基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法。 本章首先介紹了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測。3.1瞬時無功功率理論的基本原理電網(wǎng)電壓或電流中含有諧波或不對稱分量時功率現(xiàn)象比較復雜，傳統(tǒng)功率理論很難做出正確的解釋。1983年由赤木泰文（Akagi）提出了三相瞬時無功功率理論，此后該理論不斷被研究并逐漸完善10。該理論是將三相電路的各相電壓和電流的瞬時值、和、變換到、兩相正交的坐標系上進行研究 （3-1） （3-2）式子：由下面的平面的電壓、電流矢量關系可以進一步研究： EMBED Equation.DSMT4 圖3-1 - 坐標系中電壓、電流矢量定義三相電路瞬時有功功率、瞬時無功功率，由坐標系矢量圖得到： （3-3） （3-4）將其寫成矩陣的形式： （3-5）式子：3.2電流檢測中坐標變換關系的分析在電流檢測中的空間矢量法主要有涉及到有Clark變換與Park變換11，下面我們針對它們之間的變換關系進行分析。3.2.1從三相靜止系到兩相靜止系的變換如圖3-2-1所示，取軸和軸重合，在同一平面上繪制和兩個坐標系。設三相繞組每相有效匝數(shù)為，兩相繞組每相有效匝數(shù)為，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于相關相的坐標軸上。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化著，下圖中磁動勢矢量的長度是任意的。 O圖3-2 變換空間矢量圖設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，兩繞組瞬時磁動勢在、軸上的投影都應該相等，由此可得 （3-6）式中，為三相坐標變換到兩相坐標系的系數(shù)?？紤]到變換前后總功率不變，在這個前提下，可以證明得到，匝數(shù)比應為。 如果要從坐標系變換到坐標系，則需要一個條件，就是無中線或無零序電流時三相電流關系。根據(jù)圖3-2-1及三相電路關系可得： （3-7）3.2.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換與兩相靜止坐標變換的關系 關于變換，早在1923年布隆代爾便提出分析交流電機耦合振蕩的雙反應方法，1929年帕克在此基礎上提出坐標系統(tǒng)表示同步電機基本方程，變換即為著名的Park變換。 為靜止坐標系，為旋轉(zhuǎn)坐標系，當旋轉(zhuǎn)坐標系中的旋轉(zhuǎn)角度為零時，則，旋轉(zhuǎn)坐標系就變?yōu)殪o止的坐標系了，即變換是變換當（=0）時的特例。如圖3-2-2所示，兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生相同的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由于各繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示則可以標成。圖3-3 、和坐標系空間矢量 、軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長短不變，相當于、繞組的直流磁動勢。但是、軸是靜止的，軸與軸的夾角隨時間而變化，因此在、軸上的分量的長短也隨時間變化，相當于繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見，、和、之間存在以下的關系： （3-8）當存在零序電流時，所以可得到系變換到系的變換式為： （3-9）3.3諧波檢測的幾種方法比較 諧波檢測是諧波問題的重要分支，下面我們將對檢測的方法進行分析比較：（1）模擬濾波器 采用模擬濾波器的優(yōu)點是原理和實現(xiàn)電路簡單、造價低、輸出阻抗低和品質(zhì)因數(shù)易于控制，且能濾除一些固有頻率的諧波。模擬濾波器是早期的一種諧波檢測方法。下圖3-2-1為模擬并行濾波式諧波檢測裝置框圖。圖中輸入信號經(jīng)放大后被送入一組并行聯(lián)結(jié)的帶通濾波器，濾波器的中心頻率是固定不變化的，為，（是工頻的整數(shù)倍）。 圖3-4 模擬濾波器該方法的缺點：實現(xiàn)電路的濾波中心頻率（，）對元件的參數(shù)很敏感，且受外界環(huán)境的影響很大，所以很難獲得理想的幅頻特性和相頻特性；檢測的諧波中含有較多的基波分量使得檢測精度較低；當需要檢測多次諧波時，電路變得復雜，設計起來很大難度；這種方法存在很大的不足，現(xiàn)如今已很少采用這種檢測方法。（2）基于傅立葉變換的諧波檢測與分析方法 又叫做頻率分析方法，該方法檢測精度高、實現(xiàn)簡單、功能多而且實用很方便，在諧波檢測方面的應用最多也最廣泛的一種方法。這種方法是由離散傅立葉變換過渡到快速傅立葉變換的基本理論構(gòu)成的。但是這種方法也有缺點，實際采樣不是同步的，從而造成了頻譜泄漏誤差較大，導致測量誤差很大，要考慮使頻譜泄漏減小的方法。隨著電力系統(tǒng)諧波檢測要求的提高及新的諧波檢測方法日益成熟，該方法已經(jīng)不是很廣泛的被應用了。 （3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波檢測方法 該方法的應用優(yōu)點可以說是學習起來簡單，可以自學，可以不用計算補償電流的，避免了一些復雜計算，而且有廣泛的適應性。由于這種方法的檢測精度還有待提高，一些電力工作者試著應用神經(jīng)網(wǎng)絡控制的自學性和自組織性來提高檢測的精度，但是就目前來看還沒形成一種規(guī)范的方法，還需要大量的訓練樣本。神經(jīng)網(wǎng)絡算法是有缺點的，這種方法的精度對樣本有很大的依賴性，因此精度很難把握。現(xiàn)在來看這種方法不是很多的被研究者采用了。 （4）基于小波變換的諧波檢測方法 小波變換這種新型的理論是數(shù)學發(fā)展史上的重要結(jié)果，目前已廣泛應用在了諧波檢測方面。小波分析是一個時間和頻率的局域變換，因此能有效地從信號中提取信息，這種方法解決了傅立葉變換中不能解決的許多問題和困難，小波分析是通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行了多尺度細化分析。小波變換可以算出某一特定時間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解為不同頻率的信號塊,因而通過小波變換,不但可以求出基波電流,還能求得各次諧波電流。（5）自適應檢測方法 該方法是利用噪聲對消法，在自適應信號處理中將基波分量視作噪聲，把它從負載中消除，采用最小均方差算法獲得補償電流值。這個方法計算量小，檢測誤差小，有較好的自適應性，但是它動態(tài)響應較慢，適合應用在對諧波動態(tài)響應要求不高的時候。（6）基于瞬時無功理論檢測法 為了能在線實時監(jiān)測和補償諧波，在1983年由日本學者赤木泰文等人提出了基于瞬時無功功率理論，并又在此基礎上提出了兩種諧波電流的檢測方法，即為法和法，是目前有源濾波器中最廣泛檢測諧波電流的方法。這兩種諧波電流檢測的優(yōu)點是：當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，檢測基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量的實現(xiàn)電路比較簡單，并且延時小，具有很好的實時性。它也有缺點，硬件較多，花費大?，F(xiàn)在應用這種方法很多，本文就對其中的一種電流檢測方法做了詳細的分析。3.4基于算法的諧波電流檢測瞬時無功功率理論，已經(jīng)在諧波和無功電流的實時檢測方面得到了成功的應用?，F(xiàn)階段在有源電力濾波器中，基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應用是最多的。檢測諧波電流時，因為被檢測對象電流中諧波的構(gòu)成和采用的濾波器不同會產(chǎn)生不同的延時，但延時最多不超過一個電源周期。對于三相整流橋這電網(wǎng)中典型的諧波源，其檢測是有時延的，所以該方法具有很好實時性12。根據(jù)三相瞬時無功功率理論建立的諧波檢測方法有：- 法、法。但是- 法受電壓畸變的影響較大，準確性不高。所以下面我們主要介紹基于瞬時無功功率理論的法。由西安交通大學的王兆安教授在二十世紀九十年代提出的諧波電流檢測方法，下面我們介紹方法原理，如圖3-4-1所示，其中PLL（Phase Lock Loop）為鎖相環(huán)，鎖相環(huán)電路就是獲得同步旋轉(zhuǎn)角的。在該方法中，需要用到與a相電網(wǎng)電壓的基波正序分量同相位的正弦信號和對應的余弦信號。三相電流、通過Clark變換和Park變換可以得到，經(jīng)過低通濾波器LPF濾波可以得到、的直流分量和。在這里的和是由電流基波、產(chǎn)生的，于是再由、經(jīng)Park變換和Clark反變換就會得到基波電流、，然后用三相電流減去這基波電流后可以得到諧波電流、。以上就是簡要的原理概述。圖3-5 檢測方法原理圖圖中，計算出基波有功電流和基波無功電流，： （3-10）然后經(jīng)低通濾波器LPF濾波得出，的直流分量，。由于，是由，所產(chǎn)生的，因此由，即可計算出 （3-11）進一步我們計算出諧波電流： （3-12）3.5本章小結(jié) 本章是這篇文章的切入中心，介紹了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法，并對涉及到的坐標變換做了詳細的分析，將諧波檢測的幾種方法做以簡單的優(yōu)缺點分析并進行了比較分析，最后引出了本文的應用方法-算法的諧波電流檢測，對這種方法做了理論的分析，說明了是怎樣檢測出諧波電流的，以上就是本章的大體內(nèi)容。第四章 針對檢測方法的一種改進及MATLAB介紹分析了瞬時無功功率的檢測方法的的改進，介紹了軟件的分析與simulink的環(huán)境介紹，這一章的分析為了接下來的仿真做了前提工作。4.1瞬時無功功率檢測方法改進后的優(yōu)點低通濾波器在基于瞬時無功功率的諧波檢測中是都要應用的。若要應用模擬濾波器，其動態(tài)響應慢，且過渡時間也要近兩個周期。若要使用數(shù)字濾波器，常用的數(shù)字濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓函數(shù)濾波器，雖然這些延時是相對較小的，但是數(shù)字的實現(xiàn)比較繁瑣，而且計算量相當大。無論是應用哪種濾波器因為它幅頻特性的通頻帶及過渡帶除了允許直流通過外，還有一些低次諧波成分也通過了濾波器，這樣就給補償電流引進誤差，正是因為這個原因，我們將這種方法進行了改進，改進后可以克服上面提到的缺點，改進后的基于瞬時無功功率理論能減小誤差，使得檢測結(jié)果更接近預期結(jié)果。 因此，我們應用改進后的檢測方法進行檢測分析，這種方法很好的對原來的方法進行了優(yōu)化。4.2 改進的瞬時無功功率檢測方法的原理分析 本文用直流分量法對、算法加以改進，用一個計算、的直流分量模塊來代替低通濾波器最后得到、，從而實現(xiàn)了“低通濾波器”。我們進行、的直流分量計算，下面進行說明改進后的方法是如何取代低通濾波器的：被檢測的電流假設是三相對稱電流的，則表示如下： （4-1）式中：、分別為第n次諧波電流幅值和初始相位。 這樣，根據(jù)檢測方法原理圖3-4-1所示及式子3-10我們可以得到的、表達式： （4-2） （4-3）下面我們對（4-2）進行分析就可以發(fā)現(xiàn)：當，即諧波次數(shù)為3次，6次，9次時 （4-4）當，即諧波的次數(shù)為1次，4次，7次時 （4-5）當，即諧波次數(shù)為2次，5次，8次時 （4-6）當時，即基波電流所對應的有功電流分量 （4-7）（4-4）式說明當諧波次數(shù)為3的整數(shù)倍時，諧波對應的在坐標系中的有功電流分量為0；式（4-5）、（4-6）則說明了若諧波的次數(shù)不是3的整數(shù)倍時，在坐標系中諧波電流所對應的有功電流分量的頻率是基波的3的倍數(shù)；（4-7）式在坐標系中基波電流所對應的有功電流是恒定的直流分量，該值得大小是由電源電流的幅值與初始相位的余弦值來決定的。綜合上述的分析我們可以得到以下的結(jié)論：由頻率為基波頻率三倍的正弦波和一個直流分量疊加而成的，而這個直流量對應著基波電流在方向上的分量，可以寫出表達式為： （4-8）對式（4-3）做同上的分析，我們很相似的得到： （4-9）經(jīng)過周期函數(shù)的傅立葉級數(shù)表達式可以得到： （4-10）將上式與（4-8）式對比就可以得出，還有一點要注意的是，因為除了直流分量以外，就是基波頻率的3倍的正弦波組成的，因此： （4-11）式（4-11）是對進行的個基波周期得到的值就是有功電流的直流分量值。得到的只是個基波周期得延遲，同理我們也可以求得也只是需要個基波周期得延遲。所以本文采用直流分量法來實現(xiàn)“低通濾波器”功能，就只需要個基波周期得延遲，而且計算量小，延遲的時間會更小。下圖4-1為改進后的原理圖，在圖中到直流部分是由連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中的積分器、固定時間延遲和加法器及增益模塊構(gòu)成的，這樣一來就很好的取代了低通濾波器13。鍵入文檔的引述或關注點的摘要。您可將文本框放置在文檔中的任何位置。可使用“文本框工具”選項卡更改重要引述文本框的格式。圖4-1 改進瞬時無功功率檢測方法原理圖4.3 MATLAB軟件的介紹MATLAB語言是美國Mathworks公司研制開發(fā)的大型計算軟件，自1985年問世以來，一直都受到應用者的擁護，尤其后來的軟件更新使得MATLAB語言的使用獲得了巨大的發(fā)展14?？刂祁I域的研究者與工程技術(shù)人員對此給予了極大關注，國際上眾多的知名學者在此基礎上先后開發(fā)出一系列的相關工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱(ControlSystemToolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱(NeuralNetworkToolbox)、系統(tǒng)辨識工具箱(SystermIdentificationToolbox