本科畢業(yè)設(shè)計-電力系統(tǒng)諧波分析與抑制技術(shù)的分析-諧波

第三章月度負(fù)荷預(yù)測的研究第三章月度負(fù)荷預(yù)測的研究南昌大學(xué)自考本科畢業(yè)設(shè)計電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)的研究摘要隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及電力市場的開放，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負(fù)載（諧波源）應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重。因此，諧波及其抑制技術(shù)己成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文首先對國內(nèi)外諧波問題及其現(xiàn)狀進行了描述，介紹了抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，由傳統(tǒng)LC濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過程及其今后APF的發(fā)展趨勢。介紹了電力諧波的基本概念以及非線性負(fù)荷諧波源的產(chǎn)生和影響,并對幾種典型的非線性諧波源進行了分析。隨后對非線性負(fù)荷諧波源建立了數(shù)學(xué)模型,并用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出了結(jié)論,利用Matlab6.5軟件中的SIMUINK仿真環(huán)境為平臺建立了模型,并仿真證明了非線性負(fù)荷用戶對線性用戶產(chǎn)生的影響。目前,在諧波抑制方面,已經(jīng)有了實用的很成熟的無源濾波技術(shù),但由于無源濾波器存在的一些缺點。有源電力濾波器因其動態(tài)補償諧波的優(yōu)越性已經(jīng)成為了一項熱門的研究課題。本文在考慮到我國電力系統(tǒng)大多數(shù)情況下處于不平衡狀態(tài)下,對現(xiàn)有的基于瞬時無功功率諧波檢測方法進行了改進,提出了三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測方法?；谒矔r無功功率理論的ip-iq改進方法。諧波電流檢測方法?在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下進行了仿真分析,證明了ip-iq檢測方法能實時、準(zhǔn)確地檢測不同負(fù)載情況下的諧波。研究了并聯(lián)有源電力濾波器電流控制方法,確定采用三角波比較控制方式作為本文所研究三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器控制策略。最后依據(jù)前面所研究的諧波檢測方法和控制部分構(gòu)建了三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器?進行了Matlab仿真實驗,仿真結(jié)果驗證了該濾波裝置的良好補償性能。關(guān)鍵詞電力系統(tǒng)諧波;脈寬調(diào)制;有源電力濾波器;瞬時無功功率理論ABSTRACTWiththedevelopmentofelectricpowersystemsaswellastheopeningupofelectricitymarkets,powerqualityproblemshasattractedwideattention.Duetovariousnonlinearloads(harmonic)wider,increasingpollutionofharmonictopowergrid.Therefore,harmonicandsuppressiontechniquehasbecomethesubjectofwidespreadattentionathomeandabroad.Firstlytheharmonicproblemsanddescribesthestatusquoathomeandabroad,introducedthemainmeansofsuppressingharmonicsfromthetraditionalLCfiltertothedevelopmentprocessofshuntactivepowerfilteranditsfuturedevelopmenttrendofAPF.Introducesthebasicconceptsofelectricpowerharmonicaswellastheemergenceandimpactofnonlinearloadharmonicsourceandconductedananalysisofseveraltypicalnonlinearharmonicsources.Subsequentestablishmentofmathematicalmodelofnonlinearloadharmonicsourceandmathematicalformulacametoaconclusion,usingMatlab6.5software,SIMUINKsimulationenvironmentforplatformwasestablishedinmodelandsimulationtoprovetheimpactofnonlinearloadusersforlinearusers.Atpresent,intheharmoniccontext,alreadyhasapracticalpassivefiltertechnologyismature,butduetotheexistenceofpassivepowerfiltersomeoftheshortcomings.Becauseofitsdynamiccompensationofactivepowerfilterharmonicsuperiorityhavebecomeahotresearchtopic.Thispaper,takingintoaccounttheelectricpowersysteminmostcasesinanequilibriumState,weremadetotheexistingharmoniccurrentdetectingmethodbasedoninstantaneousreactivepowerimprovement,presentsthree-phasethree-wireshuntactivepowerfilterforharmonicdetectionmethod.IP-IQbegforimprovementmethodbasedoninstantaneousreactivepowertheory.Harmoniccurrentdetectingmethodforsimulationanalysisofsystemsunderstableconditions,provesthatdetectionIP-IQmethodandaccuratedetectioninrealtimeunderdifferentloadharmonics.Studyoncurrentcontrolmethodforshuntactivepowerfilter,determinesthistrianglewavecomparisoncontrolmethod,asthisstudyoncontrolstrategyforthree-phasethree-wireshuntactivepowerfilter.Finallybasedonearlierresearchofharmonicdetectionmethodandcontrolpart-builtthree-phasethree-wireshuntactivepowerfilterandMatlabsimulation,simulationresultsshowagoodcompensationforthefilterperformance.Keywords：ofpowersystemharmonics;Pulsewidthmodulation;ActivepowerfiltersInstantaneousreactivepowertheory

第一章緒論1.1研究的目的和意義隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行。20世紀(jì)80年代以來，電力電子學(xué)已逐漸成為一門新興交叉邊緣科學(xué)，與此相對應(yīng)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也得到迅速發(fā)展。但由于電力電子裝置是一種非線性時變拓?fù)湄?fù)荷，由其造成的諧波污染對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在的威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來極大影響，被公認(rèn)為電網(wǎng)的一大公害。因此，電力系統(tǒng)諧波及其治理的研究已經(jīng)嚴(yán)峻地擺在了電力科技工作者面前。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中正弦波形被畸變的現(xiàn)象早已存在，由于其功率相對不大，因而危害并不明顯?？墒乾F(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能形態(tài)提出了新的要求，具體表現(xiàn)為借助電力電子裝置引入功率變換技術(shù)，對功率電子的流動進行通斷控制，以滿足用戶對頻率、電壓、電流、波形及相數(shù)的要求。還需注意到，隨著超大容量的電力電子裝置的使用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正試圖將其快速、實時可控性應(yīng)用于電網(wǎng)的電能輸送及運行，正在出現(xiàn)著像動態(tài)無功補償（ASVG，STATCOM）、有源電力濾波（APE）、可控移想裝置（TCPA）和統(tǒng)一潮流控制（UPFC）等獨具電力領(lǐng)域特色的應(yīng)用。目前，電力系統(tǒng)的諧波問題日益嚴(yán)重，不但降低了電能質(zhì)量，還威脅到電力系統(tǒng)的安全運行。所以，對電力系統(tǒng)的諧波問題進行計算、分析和研究。并進而采取相應(yīng)的抑制措施，是一項非常迫切的任務(wù)。改善電能質(zhì)量，既需要供電部門提高供電質(zhì)量，同時在用戶側(cè)就地改善電能質(zhì)量也是很有必要的。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確指出：用戶的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷、波動負(fù)荷、非對稱負(fù)荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或?qū)Π踩\行構(gòu)成干擾和妨礙時，用戶必須采取措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用戶側(cè)抑制用戶產(chǎn)生的諧波電流以及電流不對稱等電能質(zhì)量問題。諧波研究的意義，是因為諧波的危害十分嚴(yán)重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，還會引起供電電壓畸變，增加用電設(shè)備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加輸電線路的損耗，縮短輸電線壽命，增加變壓器損耗，對電容器有很大影響，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，增加感應(yīng)電動機的損耗，使電動機過熱，造成換流裝置不能正常工作，引起電力計量誤差，干擾通信系統(tǒng)，對其它設(shè)備造成影響。諧波研究的意義還在于其對電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。諧波研究的意義還可以上升到治理污染環(huán)境、維護綠色環(huán)境來考慮。對電力電子來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。因此消除諧波污染，已成為電力系統(tǒng)，尤其是電力電子技術(shù)中的一個重大課題。諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關(guān)注的問題。我相信，只有研究出抑制諧波的方法，才能徹底的使電能的生產(chǎn)，傳輸和利用的效率達(dá)到最大化，是造福子孫后代的福利。1.2諧波的基本意義與特點1.2.1諧波的基本意義及數(shù)學(xué)表達(dá)諧波(harmonicwavelength)，從嚴(yán)格的意義來講，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。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時“諧波”這個詞的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因為廣義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。諧波產(chǎn)生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。泛音是物理學(xué)上的諧波，但次數(shù)的定義稍許有些不同，基波頻率2倍的音頻稱之為一次泛音，基波頻率3倍的音頻稱之為二次泛音，以此類推。諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)上式稱為f(t)的傅里葉級數(shù)，其中，ω=2π/Tn為整數(shù)，n>=0n為整數(shù)，n>=1在間斷點處，下式成立：a0/2為信號f(t)的直流分量令c1為基波幅值，cn為n次諧波的幅值。c1有時也稱一次諧波的幅值。a0/2有時也稱0次諧波的幅值。諧波的頻率必然也等于基波的頻率的整數(shù)倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。1.3電力系統(tǒng)諧波的原理1.3.1諧波的基本原理電力系統(tǒng)中有產(chǎn)生諧波的設(shè)備即諧波源，是具有非線性特性的用電設(shè)備。當(dāng)前，電力系統(tǒng)的諧波源，就其非線性特性而言主要有5大類：

1、軟啟動器（可控硅電機啟動器）；

2、開關(guān)電源、UPS、逆變元件、電池充電器；

3、變頻控制的電機、起重機、電梯、泵等制造過程控制；

4、電子數(shù)據(jù)圖像設(shè)備--如電視等無線電發(fā)射設(shè)備，可控?zé)艄庠O(shè)備；

5、整流器、熒光燈等。

這些設(shè)備由于自身的工作特點，即使供給理想的正弦波電壓，它們?nèi)∮玫碾娏饕彩欠钦业?，即有諧波電流存在。

頻率為50Hz的正弦波波形，稱基波，50Hz稱基波頻率。諧波為一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率整數(shù)倍。諧波用基波倍數(shù)表示，例如頻率為150Hz的正弦波稱為3次諧波、頻率為250Hz的正弦波稱為5次諧波、頻率為350Hz的正弦波稱為7次諧波，依次類推。1.3.2電力系統(tǒng)諧波的基本模型電力系統(tǒng)各基本元件的諧波模型是電力系統(tǒng)諧波分析的基礎(chǔ),而諧波源的諧波模型對諧波分析精度具有更重要的作用。除了電力電子裝置、電弧爐等公認(rèn)的諧波源外,傳統(tǒng)的變壓器、電抗器等由于越來越傾向于工作在其鐵芯磁化曲線的飽和段,使這些設(shè)備的激磁電流嚴(yán)重畸變,因而當(dāng)電網(wǎng)輕載,電壓較高時,這些裝置很可能成為一種新的諧波源。1.4本文的主要工作電力系統(tǒng)的諧波理論包含內(nèi)容廣泛，本文主要研究了其中諧波研究的目的以及諧波的基本概念和數(shù)學(xué)表達(dá)，其中諧波的概念和數(shù)學(xué)表達(dá)是根本，從數(shù)學(xué)的角度分析的諧波的各項分量之間的關(guān)系，至于正確分析了諧波的各項分量和特征，才能更好的制定出方案去抑制諧波。并且本文對諧波的基本原理和模型都有了較為細(xì)致的介紹，這樣才可以更貼切，更全面的了解諧波。本論文的主要框架如下：第一章：緒論主要介紹了電力系統(tǒng)諧波的研究的目的和電力系統(tǒng)諧波的研究的意義。并且對電力系統(tǒng)諧波的定義以及數(shù)學(xué)表達(dá)都有了較為詳細(xì)的介紹，并且對諧波的原理和基本模型都有了較為深刻的理解，同時介紹本文的主要工作。第二章：諧波的基本意義與特點主要介紹了電力系統(tǒng)諧波的基本定義和數(shù)學(xué)表達(dá)方式，主要介紹了諧波之間分量的關(guān)系。第三章：電力系統(tǒng)諧波的原理主要研究了電力系統(tǒng)諧波的原理和基本模型，只有掌握了諧波的基本模型，才可以更深入，更透徹的研究諧波，發(fā)現(xiàn)問題，找到抑制諧波的有效的正確的方法。第四章：總結(jié)與展望對答辯論文己完成的工作做出總結(jié)。第二章諧波的檢測和分析方法2.1諧波的檢測方法為了有效補償和抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，首先必須對含有的諧波成分有精確的認(rèn)識，因而需要實時檢測負(fù)載電流中的諧波分量。現(xiàn)有的諧波電流檢測和分析方法主要基于以下幾種原理：2.1.1帶阻濾波法這是一種最為簡單的諧波電流檢測方法，其基本原理是設(shè)計一個低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。2.1.2帶通選頻法和FFT變換法帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的測量方法，其基本過程是對待測信號（電壓或電流）進行采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，再用計算機進行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。這兩種方法都可以檢測到各次諧波的含量，但以模擬濾波器為基礎(chǔ)的帶通選頻法裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件多，測量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應(yīng)能力；后一種檢測方法其優(yōu)點是可同時測量多個回路，能自動定時測量。缺點是采樣點的個數(shù)限制諧波測量的最高次數(shù)，具有較長的時間延遲，實時性較差。2.1.3瞬時空間矢量法1983年日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時無功功率理論，即“p－q”理論，對電力諧波量的檢測做出了極大的貢獻，由于解決了諧波和無功功率的瞬時檢測和不用儲能元件就能實現(xiàn)抑制諧波和無功補償?shù)葐栴}，使得電力有源濾波理論由實驗室的理論研究走向工作應(yīng)用。根據(jù)該理論，可以得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，即：<BR<p>式中分別為p、q的直流分量，即為對應(yīng)的交流分量。由可得被檢測電流的基波分量，將基波分量與總電流相減即得相應(yīng)的諧波電流。因為該方法忽略了零序分量，且對于不對稱系統(tǒng)，瞬時無功的平均分量不等于三相的平均無功。所以，該方法只適用于三相電壓正弦、對稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測。90年代提出的“d－q”理論進一步發(fā)展和完善了“p－q”理論，該理論提出的檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路諧波和基波負(fù)序電流的檢測。2.1.4自適應(yīng)檢測法

該方法基于自適應(yīng)干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補償?shù)闹C波與無功分量。該自適應(yīng)檢測系統(tǒng)的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力，缺點是動態(tài)響應(yīng)速度慢。在此基礎(chǔ)上，又有學(xué)者提出一種基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波的電流檢測法。2.1.5小波變換檢測法對于一般的諧波檢測，如電力部門出于管理而檢測，需要獲得的是各次諧波的含量，而對于諧波的時間則不關(guān)心，因此，傅里葉變換就滿足要求。然而在對諧波電流進行動態(tài)抑制時，不必分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流外的總畸變電流，但對出現(xiàn)諧波的時間感興趣，對于這一點，傅里葉變換無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點，即它在時域和頻域同時具有局部性，因此通過小波變換對諧波信號進行分析可獲得所對應(yīng)的時間信息。從以上檢測方法看，基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法簡單易行，性能良好，并已趨于完善和成熟，今后仍將占主導(dǎo)地位?；谏窠?jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測法和小波變換檢測法等新型諧波檢測方法能否應(yīng)用于工程實際，還有待進一步驗證。2.2 電力系統(tǒng)諧波的危害電力系統(tǒng)諧波的危害是多種多樣的，但不能忽視，諧波的危害往大說影響電力設(shè)備和用電設(shè)備，往小了說影響千萬家用戶的身體健康，千萬馬虎不得。一下介紹了大致的諧波的幾種危害。2.2.1對供配電線路的危害（1）影響線路的穩(wěn)定運行供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設(shè)備的安全。但由于電磁式繼電器與感應(yīng)式繼電器對10%以下含量高達(dá)40%時又導(dǎo)致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產(chǎn)生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。（2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調(diào)光燈、計算機等負(fù)載，會產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達(dá)40%；三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相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，浪費電網(wǎng)的容量。2.2.2對電力設(shè)備的危害（1）

對電力電容器的危害：當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負(fù)荷,損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴(yán)重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。（2）對電力變壓器的危害諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數(shù)的增加，振動頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發(fā)出金屬聲。（3）對電力電纜的危害

由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。2.2.3對用電設(shè)備的危害

(4)

對電動機的危害：

諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時使電動機過熱。尤其是負(fù)序諧波在電動機中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產(chǎn)生機械振動，發(fā)出很大的噪聲。（5）對低壓開關(guān)設(shè)備的危害：對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生誤動作。對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。2.2.4對弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾對于計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。第三章濾波器3.1有源電力濾波器的概述有源濾波器現(xiàn)場應(yīng)用有源電力濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功。3.1.1有源電力濾波器的理論基礎(chǔ)三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。3.1.2有源電力濾波器的工作原理Satons有源電力濾波器通過電流互感器檢測負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。指令電流檢測電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進行無功補償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負(fù)序電流分量進行補償。有源電力濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源濾波器(儲能元件為電感)。電壓型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少，效率高，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗。電壓型有源濾波器電流型有源濾波器3.1.3有源電力濾波器的使用（1）低紋波電流，高電流響應(yīng)速度紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個指標(biāo)。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負(fù)載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達(dá)到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關(guān)。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補償50次諧波計算，最高諧波頻率將達(dá)到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應(yīng)速度有很高的要求。電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線電壓越高，電流響應(yīng)越快；輸出電感越大，電流響應(yīng)越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好，這是一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關(guān)。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到20kHz。但是，開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗，有源電力濾波器的單機容量會受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零三種電壓，在計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應(yīng)速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應(yīng)速度，增強濾波效果，提高單機容量。（2）提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高，例如石油鉆機傳動采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應(yīng)速度、保證補償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應(yīng)用，直流母線電壓一般在700V～750V，而對于600V，直流母線電壓需要達(dá)到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?00V。通過諧波的變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的，價格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會比較大。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng)，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時保證較好濾波效果和單機容量。3.2無源電力濾波器的概述無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。3.2.1無源電力濾波器的分類無源濾波器主要可以分為兩大類：調(diào)諧濾波器和高通濾波器。調(diào)諧濾波器調(diào)諧濾波器包括單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器，可以濾除某一次(單調(diào)諧)或兩次(雙調(diào)諧)諧波，該諧波的頻率稱為調(diào)諧濾波器的諧振頻率；高通濾波器高通濾波器也稱為減幅濾波器，主要包括一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和c型濾波器，用來大幅衰減低于某一頻率的諧波，該頻率稱為高通濾波器的截止頻率。3.2.2無源電力濾波器的工作原理無源濾波器由LC等被動元件組成，將其設(shè)計為某頻率下極低阻抗，對相應(yīng)頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道；而有源濾波器由電力電子元件和DSP等構(gòu)成的電能變換設(shè)備，檢測負(fù)載諧波電流并主動提供對應(yīng)的補償電流，補償后的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。3.2.3無源電力濾波器所受到的影響阻抗影響無源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險；而有源濾波不受影響。頻率影響無源濾波器諧振點偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。負(fù)載影響無源濾波器可能因為超載而損壞；有源濾波器無損壞之危險，諧波量大于補償能力時，僅發(fā)生補償效果不足而已。負(fù)載變化對諧波補償效果的影響。無源濾波器補償效果隨著負(fù)載的變化而變化；有源濾波器不受負(fù)載變化影響。 第四章諧波檢測仿真分析4.1諧波信號模型的建立諧波分析必須要有研究對象，而實際的電網(wǎng)信號采樣需要精密的儀器設(shè)備和在特定的電力環(huán)境下進行，要求比較高。算法研究通常采用計算機仿真的方法，需要對研究對象進行建模，因此好的模型的建立是研究的前提。怎樣合理的建立諧波信號模型是一個很關(guān)鍵的問題，也是研究的一個難點之一。MATLAB是工程應(yīng)用和科學(xué)計算領(lǐng)域的強大的武器，它不僅僅可以用在諧波的仿真上，也可以用來建立各種信號模型，為理論和算法的研究提供好的研究對象。4.1.1MATLABMATLAB是matrix和laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠，是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平。4.1.2電力系統(tǒng)諧波信號根據(jù)實際電網(wǎng)中的諧波情況和仿真分析的需要，我們構(gòu)建出若干類信號模型。實際電網(wǎng)中由于既存在線性負(fù)荷也存在非線性的負(fù)荷，所以實際情況下電網(wǎng)中的諧波既包含穩(wěn)定的基波的各次諧波分量也包含一些非穩(wěn)定的瞬態(tài)變化的諧波，各種電網(wǎng)噪聲干擾等。為了仿真分析的方便起見，我們選取有代表性的僅含一種諧波情況的諧波信號進行分析，要分析更復(fù)雜的情況只需將各種情況組合疊加即可。信號模型一：正弦信號的線性組合，即僅含有基波的各次諧波的信號。在電網(wǎng)中電壓和電流的基波頻率均為=50Hz，我們考慮含有3，5，7次諧波的情況。設(shè)信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：(4-1)上式中第一項是頻率=50Hz的基波，第二項是頻率=150Hz的3次諧波分量，第三項為5次諧波分量，第四項為7次諧波分量。在本模型中沒有取所有次數(shù)的諧波，而只是取了在電力系統(tǒng)中較有代表性的諧波分量來分析，可以簡化分析且不失一般性。4.2MATLAB小波分析對于電力系統(tǒng)中的非穩(wěn)態(tài)的諧波分析，采用離散小波變換，其中小波函數(shù)的選取很重要，根據(jù)研究比較發(fā)現(xiàn)dmey小波具有較好的處理效果和作用。為了對比分析的方便，我們?nèi)匀皇遣捎秒x散小波變換對信號模型一至四進行仿真分析。因為電力系統(tǒng)主要包含奇數(shù)次諧波，尤其是3，5，7等次諧波，因此，在選擇頻帶的時候不能太大，否則就不能準(zhǔn)確測量每一次諧波的含量。仿真信號的基波頻率為50Hz采用dmey小波5層分析。將采用dmey小波的離散小波變換應(yīng)用于4.1節(jié)的各種諧波信號模型可以得到基波及其各次諧波以及信號中的部分細(xì)節(jié)信息。4.2.1信號模型三的小波分析波形由圖可以看出，小波分析很好的檢測到了信號的基波及諧波的幅值、相位、發(fā)生時刻，對于信號的間斷點也檢測了出來。對于信號中含有間斷點的情況，只能使用小波分析。第五章總結(jié)與展望本文主要就月度用電量預(yù)測做了相關(guān)研究。對于月度用電量預(yù)測問題，首先研究月度用電量的變化特點，即長期性和波動性的二重特征，然后針對該特征提出了一種基于小波分析和灰色模型的用電量預(yù)測方法，同時還對受春節(jié)影響的一、二月用電量預(yù)測進行了研究，并采用移位修正法對其進行修正;最后采用本文方法對江蘇省以及江蘇省各個地區(qū)用電量進行預(yù)測，并且將預(yù)測結(jié)果和二次指數(shù)平滑法、灰色模型以及GSVI模型的預(yù)測結(jié)果進行對比，結(jié)果表明該方法能有效地提高預(yù)測精度，