（农业电气化与自动化专业论文）基于小波分析和遗传算法的静止无功补偿研究.pdf

江钵大学f 雌卜学位论文 摘要 随着电力电子整流、换流技术和大功率晶闸管装置在各利t 电气设备r f 一的广泛应川，谐 波和无功问题在电力系统一p 已日趋严重，对电网造成了严重的谐波污染，影响了电网的安 全运行和广大t 农业牛产的正常用电，抑制电网谐波和无功补偿成了。个紧迫的课题。 本文对目前公共电网补偿使用最为广泛的静止无功补偿皴置进行了深入研究。谐波抑 制和无功补偿的效果取决于对瞬态电卡和电流的快速、准确地检测和分析，冈此谐波及其 无功分量的实时、准确检测就显得非常重要。小波分析是! 前应川数学和t 程学科中一个 迅速发展的新领域，利川小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，能对不同 的频率成分采用逐步精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节。小波分析的这种自适应性 使其对电力系统的谐波和无功检测中有着传统的低通滤波器无法比拟的优点。本文把小波 分析和瞬时无功功率理论相结合，提出了瞬时无功小波理论，并把它运用于三相三线制和 三相四线制电路的谐波和基波无功检测。本文还完整地推导了单相电路的p a r k 变换，并 把它与瞬时无功小波理论相结合，建立了单相电路谐波和基波无功检测的新方法。仿真结 果证实了上述方法的可行性和正确性。 l c 滤波器是静止无功补偿装置的重要部分，l c 滤波器的电容器和电感线圈的参数， 在运行过程中会因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化等影响而发牛变化，在安 装和调试过程中会存在误差，从而使实际参数和相应的谐振频率偏离设计值，导致滤波器 失谐，这就要求对滤波器进行优化设计。本文利用混沌的遍历性，改进了皋本遗传算法并 川它来优化l c 滤波器，检测函数和文例证实了该方法的可行性。 本文还构建了基于t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 和8 0 c 1 9 6 k c 单片机双c p u 为核心的实验平台， 研究了设计系统的硬件实现方案和软件实现方案，并给出了相应的实聆结果。 关键词：电力系统，静止无功补偿，谐波抑制，小波分析，遗传算法，优化，d s p + 本课题研究得到江苏省高新技术项目( b g 2 0 0 4 0 2 4 ) 资助 垡十小波分析与遗传算法的静止无功补偿研究 a b s t r a c t w i t ht h ef a r r a n g i n ga p p l i c a t i o no f p o w e re l e c t r o n i c sr e c t i f y i n ga n dc o n v e r t i n gt e c h n o l o g y a n dh i g hp o w e rt h y r i s t o rd e v i c ei nv a r i o u sk i n d so fe l e c t r i ce q u i p m e n t s ，t h ep r o b l e mo f h a r m o n i c sb e c o m e sm o r ea n d m o r es e r i o u s t h eh a r m o n i c sp o l l u t i o na f f e c t st h es a f eo p e r a t i o n o fp o w e rs y s t e ma n dt h en o r m a ls u p p l yo fp o w e ri nt h ei n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e i tb e c o m e sa p r e s s i n gt a s kt os u p p r e s s i o nh a r m o n i c so fp o w e rn e t w o r ka n dt or e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h i sp a p e rf u r t h e rd i s c u s s e st h es t a t i cv a rc o m p e n s a t o rw h i c hi sm o s tf a r - r a n g i n g l yu s e dt o c o m p e n s a t ep u b l i cp o w e rn e t w o r ks of a r t h ee f f e c to fs u p p r e s s i o nh a r m o n i c sa n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nl i e so nq u i c ka n de x a c td e t e c t i o na n da n a l y s i st oi n s t a n t a n e o u sv o l t a g ea n d c u r r e n t s oi ti si m p o r t a n tt od e t e c th a r m o n i c sa n di t sr e a c t i v ep o w e rc o m p o n e n t w a v e l e t a n a l y s i s i san e wr a p i d l yd e v e l o p i n gf i e l di nt h e s u b j e c to fa p p l i e dm a t h e m a t i c sa n d e n g i n e e r i n ga tp r e s e n t b e c a u s eo ft h eg o o dl o c a l i z i n gc h a r a c t e r i s t i cs i m u l t a n e o u s l yi nt i m e d o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i no fw a v e l e ta n a l y s i s ，i tr e f i n e st h er a n d o md e t a i lo fd i f f e r e n t 行e q u e n c ys i g n a l su s i n gt h es t e pb ys t e pr e f i n e ds a m p l i n gs t e pl e n g t h t h es e l f _ a d a p t a b i l i t yo f w a v e l e ta n a l y s i sh a sg r e a tm e r i tc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ll o w - p a s sf i l t e r i ns u p p r e s s i o n h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o ni np o w e rs y s t e m i nt h i s p a p e r ，t h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rw a v e l e ti sp r e s e n t e db a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sa n di n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yw h i c hi sa p p l i e di nt h eh a r m o n i c sa n do r i g i n a lw a v er e a c t i v ep o w e r d e t e c t i o no ft h r e e - p h a s et h r e e w i r e s y s t e ma n dt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m t h ep a r k t r a n s f o r mo fs i n g l e p h a s ec i r c u i ti s c o m p l e t e l yd e r i v e da n dc o m b i n e dw i t hi n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rw a v e l e tt h e o r y an e wm e t h o do fd e t e c t i n gh a r m o n i c sa n do r i g i n a lw a v e r e a c t i v ep o w e ro f s i n g l e p h a s ec i r c u i ti sb u i l du p t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h ef e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t yo f t h em e t h o d l cf i l t e ri st h ei m p o r t a n tp a r to fs v c t h ep a r a m e t e r so fc a p a c i t o ra n di n d u c t i v ew i n d i n g o fl cf i l t e r c h a n g ed u r i n go p e r a t i o nw i t ht h ec h a n g i n gs u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r e ，t h e s e l f - h e a t i n ga n dt h ei n s u l a t i o na g e i n go fc a p a c i t o r , e t c s od u r i n gi n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g ， t h e r ei se r r o rw h i c hm a k e sa c t u a lp a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d e n th a r m o n i co s c i l l a t i o nf r e q u e n c y d e v i a t ed e s i g n e dv a l u ea n dr e s u l t si nf i l t e r d i s a r r a n g e m e n t s ot h ed e s i g no ff i l t e r m u s tb e o p t i m i z e d i nt h i sp a p e r , b a s i cg e n e t i ca l g o r i t h mi si m p r o v e da n du s e dt oo p t i m i z et h el cf i l t e r b a s e do nt h ee r g o d i cp r o p e r t yo fc h a o s e x p e r i m e n tp l a t f o r mw i t hd o u b l ec p u b a s e do nt m s 3 2 0 c 3 2d s pa n d8 0 c 1 9 6 k cm c u t h es c h e m eo fs y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei ss t u d i e d a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t i sg i v e n t i k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；s t a t i cv a tc o m p e n s a t i o n ；h a r m o n i c ss u p p r e s s i o n ；w a v e l e ta n a l y s i s g e n e t i ca l g o r i t h m ；o p t i m i z a t i o n ；d s p y1 0 1 | ：0 0 8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 学位论文作者签名 酬碑 导师签名 矽2 签字日期：万年i 。月g 日 签字日期：”侔瞌月【一日 学位论文作者毕业后去向：之技 三冀等 耒廷 通讯地址： 。 电话 邮编 力岬 凡 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学博l 学位沦立 第一章绪论 1 1 静止无功补偿的发展及趋势 静止无功补偿皴置是国外在七t 年代研制出来的种动态无功补偿裟置，又简称为静 补( s v c ) 。静补有两个主要特点：+ 是静止型，其主要部件无转动部分；二是动态补偿， 其反应速度很快，能及时跟踪快速无功功率的变化并做出补偿，以达到所设计的并利- 控制 r i 标。静补作为种新型无功补偿装置，和传统的无功补偿设备相比，具有响应速度快， 调节性能好，运行损耗和维护费川低，并且可作为多方面应川等优点。 1 1 1 静止无功补偿的发展概况 将电容器与网络感性负荷并联是补偿无功功率的传统方法，在国内外获得了广泛的应 川【l 】 “。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点，但其阻抗是吲定的， 冈此不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿。随着电力系统的 发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产生了同步调相机。它是专门用来产生尤功功 率的同步电动帆，在过励磁或欠励磁的情况下，能够分别发出不同大小的容性或感性无功 功率。由于它是旋转电动机，运行叶i 的损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢， 难以满足快速动态补偿的要求。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着研究的进步加深，出现了。种静止无功补偿技术。这种 技术经过2 0 多年的发展，经历了个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是 指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收或发出无功电流的能力，h 于提 高电力系统的功率因数，稳定系统电肫，抑制系统振荡等功能。1 前这种静i t 开关丰要分 为两利l ，即断路器和电力电子开关。用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1 0 - - 3 0 s 不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲t 竹 涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧坏，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应 力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关晶 闸管( s c r ) 、电力晶体管( g t r ) 、门极可关断晶体管( g t o ) 等的出现【3 】，将其作为投 切开关，速度可以提高5 0 0 倍( 约为1 0 “s ) ，埘任何系统参数，无功补偿都可以在个周 波内完成，而且可以进行单相调节。 静止无功补偿装置主要有以下三大类型，类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置 ( s a t u r a t e dr e a c t o r ，s r ) 。饱和电抗器比之同步调相机具有静止、响应速度快等优点但其 铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题， 又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据主流。第二类是晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o r c o n t r 0 1r e a c t o r ，t c r ) 和晶闸管投切电容器( t h y r i s t o r s w i t c h c a p a c i t o r ，t s c ) ， 这两种装置统称为s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 。电力电子技术的发展及其在电力系统- 1 ， 的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了静止无 丛十小波分析与遗传算法的静止无功补偿研究 功补偿皴置的丰导地位。于是静止无功补偿装置( s v c ) 成了专门使j 晶闸管的静止尤功 补偿装置1 4j 。第j 类是采川自换柏变流技术的静止无功补偿装置一高级静止无功发牛器 ( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ，a s v g ) 。a s v g 通过采川桥式电路的多重化技术、多电 平技术或p w m 技术进行处理，以消除较低次的谐波，并使较高的谐波限制存定范同内； 由于a s v g 不需储能兀件来达到与系统交换无功的口的，实际上它使 j 直流电容来维持 稳定的直流电源电雎，和s v c 使用的交流电容相比，直流电容量柏对较小，成本较低； 另外，在系统电压很低的情况下，仍能输出额定无功电流，而s v c 补偿的无功电流随系 统电压的降低而降低。正是由于这些优点，a s v g 在改善系统电压质量，提高稳定性方面 具有s v c 无法比拟的优点，这也显示出a s v g 是今后静止无功补偿技术发展的方向，可 以说，大容量化的a s v g 将是晶闸管控制型静补檄佳的更新换代产拈。 另外随着电力电子技术的发展，电力有源滤波器也日益得到完善，由于电力有源滤波 器在滤除谐波的时候与电力系统不发牛谐振，因此日前不少电力系统t 作者致力于将电力 有源滤波与a s v g 相结合的研究，以消除传统的a s v g 设各巾并联无源滤波器的所产牛 的谐振问题。 在8 0 年代的中后期，美国开始执行项在输电系统大规模推广戍用电力电子技术以 显著提高电力系统的安全经济运行的称之为柔性交流输电系统( f a c t s ) 的新技术。 f a c t s 中所采用的电力电子设备，除我们熟知的高压直流输电( h v d c ) 和以上所述的几 利r 静补外，还包括次同步振荡阻尼器、静止可控移柏器、动态制动器、晶闸管控制的串联 补偿装置( t c s c ) 和联合潮流控制器( u p f c ) 等等，其中h v d c 和u p f c 的辅助无功控制 以及t c s c ，又为电力系统的动态无功调节提供了新的手段。目前，世界各大电气公司竞 柏参与研制f a c t s 中的新型电力电子装置，并已有些产品( 例如t c s c 、a s v c 等) 在 美国电力系统巾陆续投人示范运行。 经过四r 多年来的发展，在电力系统中投入运行或试运行的形形色色的静补装置，口 前在t 、l p 供电网络和输电系统的各个应用领域正发挥着重要作用，成为优化电力系统运行 性能不可缺少的设备。 1 1 2 静止无功补偿的工程应用 一国际上的s v c 应用 世界上最早投入运行的静补，是英国g e c 公司1 9 6 4 年在埃塞俄比皿投运的一套q 于 抑制电弧炉闪变的白饱和电抗器s r 型装置。该公司在1 9 6 7 年又研制出了可控饱和电抗 器c s r 型装置，但由于后来又设计出了更为完善的s r ，从而又放弃了c s r 的牛产。侗 在7 0 年代初，比利时的a c e c 公司仍致力于开发c s r 型静补，并在轧钢厂大力推广应 ，l f j 。我国在7 0 年代巾后期引进的武钢1 7 0 0 m m 轧制t 程q ，作为配套，也从该公司引进了 四套此类装置。早期的这两类静补均用于工业负荷补偿领域【”，直至6 0 年代末才开始在 输电系统引人这两种装置用于提高输电系统的输送功率，后又用于直流输电换流器的动态 电压控制。这两类装置在7 0 年代得到推广应用， 同到了8 0 年代中期，除了s r 型静补在 2 江街、大学博士学位论文 运行可靠性、响应速度、过载能力以及维护简申方面仍有定的优势，在某些应川场合仍 有一定的市场外，c s r 型静补由于整体技术性能差，在国外已趋于逐渐放弃这利哂! 式。 s r 型装置是利用电抗器铁心的饱和特性原理来下作的，为静补的第一代产6 自；而c s r 型 已初步利用了电力电子技术，采用了晶闸管整流器输出直流米控制饱和电抗器的饱和程 度，从而可以附加外部输入信号进行反馈控制，在控制的灵活性方面和s r 型相比有了显 著的进步。但其丰体设备仍是饱和电抗器，故仍把它划归为静补的第一代产品，或把它看 作是第1 5 代产品。随着电力电子技术的发展，国外在7 0 年代初开发出采川大功率晶闸 管作为同态开关组成三相a c a c 变流器( 也称交流控制器) 控制电抗器或电容器的笫二代 静补产品。1 9 7 2 年瑞典a s e a 公司将第套此类装置一晶闸管投切电容器( t s c ) 在某铡 厂投入试运行。1 9 7 4 年瑞十b b c 公司又开发成功并投运了晶闸管控制高阻抗变压器( t c t ) 或电抗器t c r 型静补。生产这些装置的主要厂家还有美国g e 公司、德国西门子公司、 日本的富士和日新公司等。早期的这类装置也主要用于工业供电网络补偿，直至1 9 7 7 年 才由美国g e 公司引入输电系统的电压控制和提高传输功率方面。到8 0 年代巾期，此类 装置已臻成熟。特别是t c r 和t s c ，几前在工业供电网络和输电系统已得到广泛的虑j | j 。 至于t c t 型静补，由于需要特殊设计的变h 器阻抗高达8 0 一1 0 0 在设计制造和运行上 都有州难，并且滤波电容器组必须连接于高雎侧也使得其设计、制造技术复杂化等原因， f 1 前已较少采川这方案。近年来，国内外掀起了利用全控型电力电子器件研制逆变器型 静补装置的热潮。这是种不需要电抗器和电容器作为无功源的静止无功电源( s v g ) ，国 外也称之为新型静补( a s v c ) ，为静补的第三代产晶。实际上，早在8 0 年代初日本的关 西电力公司和三菱电机公司合作已研制出此类装置，但限于当时只能采用半控型的晶闸管 作为开关元件，必须使用强迫换向电路，使得设备结构复杂化、损耗增大和可控性降低， 因而在电力系统中没有得到推广应用。而随着各种全控型器件性能的不断提高，在8 0 年 代末已有一些小容量的s v g 投人运行。由日本制造的采用g t o 的容量达8 0 m v a r 的s v g 己在1 9 9 3 年投人运行：由美国开发的容量为1 0 0 m v a r 的此类装置，也在1 9 9 5 年投入试 运行。采用全控型器件的a s v c ，可以说无论在性能还是价格方面都比上述静补更具竞争 力。 目前，世界上安装的s v c 总容量已经超过了9 3 0 0 0 m v a r ，装设于超高压输电系统的 s v c 已有2 0 0 多台。并且绝大多数s v c 项目，特别是1 0 0 m v a r 以上的大容量项日，都是 由少数大型跨国公司如a b b 5 1 ，a l s t o n 7 1 和日本东芝等公司承接的。表1 1 是日本牛产 的s v c 装置安装数量和容量统计。 以上s v c 的结构是以t c t 和t c r 为主，占到了s v c 安装数量和容量的8 0 以上。 s v c 的主要安装领域包括闪变抑制、维持电压稳定、不平衡补偿及实验装置等，而且s v c 主要是用来抑制闪变和维持系统电压衡定，在这2 个方面的应用量远远超过了其他方面。 丛t 孙波分析与遗传算法的静止无功补偿研究 表1 1 日本生产的s v c 装置安装数量和客量统计 t a b | e l1s t a t i s t i c so f n u m e r i c a la n dc a p a b i l i t yo f s v cm a d ei nj a p a n 高胍同路超高压回路 类别合计 ( 6 6 k v 以下)( 6 6 k v 以上) 安装数量个 6 01 5 22 1 2 日本国内 安装容量m v a r 2 7 4 75 6 2 3 95 8 9 8 6 安装数量个 5 4 75 2 出口 安装容量m v a r 3 33 0 8 7 13 1 2 0 1 安装数量个 2 6 4 i总计 安装容量m v a r 9 0 1 8 7 墨西哥t e m a s c a l4 0 0k v 变电站于1 9 8 2 年投入了s v c 装置，以提高墨西哥南部水电 站与主要电能消费中心墨西哥城地区之间4 0 0 k v 输电线路系统的传输能力和送电安全 性。在安装了s v c 后，这个4 0 0 k v 输电线路的有功传输容量达到了将近2 0 0 m w 是个 较为成功的应用。同时，该项日也是当前有记载的容量最大的s v c 项目。 二国内的s v c 应用 在输电补偿方面，国内运行于5 0 0 k v 系统的s v c 有6 套，全部为进口产品，分别安 装在广东江门变电站( 1 套) ，河南郑州小刘变电站( 1 套) ，东北沙窝变电站( 1 套) ，湖 南株洲云田变电站( 1 套) 和湖北武昌风凰山变电站( 2 套) 。国内俐铁企业叶i ，s v c 也 得到了应用，如河南平顶山舞阳钢铁公司( + 9 0 m v a r ，a b b 制造) ，河南安阳钢铁厂( a 8 8 制造) ，上海宝山钢铁总三厂( s i e m e n s 制造 6 1 ) ，广州钢铁厂( 2 套，分别为b b c ，a b b 制造) 等。近几年来的消化吸收，我国已有能力独立开发成套的s v c 装置，如中国电力 科学研究院、西安电力电容器厂等已有负荷 s v c 产品，但是在技术水平上与a b b 、 a l s t o m 等国外大公司仍然有较大的差距。然而，国外的s v c 装置不但价格昂贵，而且 在我国文际的运行情况并非理想。据有关文献报道，在上世纪8 0 年代末9 0 年代初期，在 武汉凤凰山( a b b ) 、广东江门( a b b ) 、湖南云前( 意大利a n s a l d o ) 及郑州小刘序 等处安装的国外s v c 先后发生了多起事故，造成了很大损失。 2 0 0 4 年1 1 月3 日上午，在辽宁省鞍山市红一变电站s v c 工程口】的建成运行，标志着 我国拥有自丰知识产权的s v c 技术进入了实h j 化阶段。该项目的实施，不仅可以为企业 带来显著的经济效益，而且对推动我国电力行业的技术进步和s v c 国产化、产业化都具 有重要意义。 1 1 3 静止无功补偿的发晨趋势 随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主 要有以下几点： ( 1 ) 在城网改造。f ，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制 4 江苏大学| 埔_ ：学位论文 器和配电综台测试仪，冈此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的体化的问题。 ( 2 ) 快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时问，快速投切电容器，以满足 t 作条件较恶劣的情况( 如大的冲t r 负荷或负荷波动较频繁的场台) 。随着计算机数字控制 技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿i t 吲入些先进的控制方法，如模糊控制等。 数字化( 微机控制) 的调节器也将逐步取代传统的模拟调节器。 ( 3 ) 口前无功补偿技术还丰要j j 于低胍系统。高骶系统由十受到晶闸管耐h 水平的限 制，是通过变压器降压接入的，如川于电气化铁道牵引变电所等。研制高爪动态无功补偿 的装置则具有重要意义，关键问题是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐h ，即多个晶闸 管兀件串联及均压、触发控制的同步性等。 ( 4 ) 由单的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发 展和电力电子产品的推广应1 ，供电系统或负荷一1 _ i 含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿 与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定 系统电压、改善电能质量的有效手段。 现在s v c 已成为种有效的无功功率控制手段【l “j 。s v c 对于电弧炉、轧帆等波动性 负荷的补偿技术已曰趋成熟，基本实现国产化。电力系统和电气化铁道等虑用领域还有待 于开发，提高s v c 装置国产化程度，研制出具有自丰知识产权的、性能优异可靠的s v c 具有 分重要的意义。当代电网无功补偿发展的趋势是剥着优化补偿和动态平滑调节的方 向发展，今后的s v c 将在数据处理和动态响应方面有更大的提高。随着电网管理部门对 功率因数考核的提高，s v c 在电网巾的使_ 【 有着非常广阔的前景。 1 2 谐波及无功检测方法综述 精确、实时地检测出电网1 1 ，瞬时变化的畸变电流，是提高静止无功补偿装置补偿精度 的个关键问题，以下是口前采 1 的几利一检测方法。 。基于f r y z e 功率定义的检测方法 其原理是在时域上将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无 功电流( 包括谐波电流) 。 它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功 电流需要进行一个周期的积分，冉加其它运算电路，要有几个周期延时。冈此，j _ | j 这种方 法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。 二用模拟带通滤波器( 或陷波器) 检测的方法 用模拟带通滤波器( 或陷波器) 检测有害电流。由于滤波器中一t 3 , 频率固定，当电网频 率波动时，滤波效果会大大下降。此外滤波器的。m 山频率对兀件参数十分敏感，这样要使 滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很闲难的，并且这种方法也不能同时分离出无功 电流和谐波电流。 垫 卟渡分机与遗传算法的静止无功孛卜偿研究 三罐于频域分析的f f t 检测法 快速傅立叶变换( f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ，f f t ) 是：_ 今谐波检测巾虑j 1 j 最广泛的。种 方法，相关的研究文献不计其数。几前，基十f f t 技术已相”成熟，f r 是f f t 也有它的局 限性； 从模拟信号i f f 提取全部频谱信息，需要取无限的时问量，使川过去的和将米的信号 信息只能计算区域频率的频谱； 没有反映出随时间变化的频率，j l j 人们需要在任何希望的频率范同上产牛频谱信息 时f f t 不定适用f 由于个信号的频率与其周期长度成正比，对于高频谱的信息，时间问隔要相对地 小以给出比较好的精度，而对于低频谱的信息，时问问隔要柏对地宽以给出完全的信息， 亦即需要一个灵活可变的时问一频率窗，使在高“中心频率”时自动变窄，而在低“t b 频率”时自动变宽，f f t 自身并没有这个特性，目前谐波的f f t 检测都是基于这样的假设： 波形是稳态和周期的，采样的周波数是整数的： f f t 需要一定时间的采样值，计算量大，计算时问长，使得检测时问较长，检测结 果实时性较差：即使信号是稳态的，当信号频率和采样频率不。致时，使 j f f t 也会产牛 频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 频率、幅值和相位) 不准确，尤其是相位 的误差很大，有时无法满足检测精度的要求，为了提高检测精度，需要对f f t 进行改进t t 6 ， 已有的方法主要有利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正、修正采样点法及利用数 字式锁相器( d p l l ) 使信号频率和采样频率同步，其，p 加窗插值算法已发展出矩形窗、海 宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗一哈里斯窗等数t 种寓供不同场合选择使f j 。n 前，在电 力系统， ，稳态谐波检测， ，大多采用f f t f l 7 1 及其改进算法 1 8 1 1 1 9 啦o i l 2 ”，商对于波动谐波或快 速变化的谐波，则需要采取其他方法。 四基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等基于时域提出了非正弦条件下的瞬时无功功率理论， 并迅速应用于电力系统谐波检测。目前，基于瞬时无功功率理论的谐波检测研究已非常深 入( ”，取得了工程度“j 成果，是谐波实时检测的丰要方法。基于瞬时无功功率理论有3 种谐波检测方法：p - q 法、i 。i 。法和d - q 法。这3 种方法都能准确、实时测量三相三线制 对称电路的总谐波分量。i v - i 。法和d - q 法适用范围更广，不仅在电网电压畸变时适用，在 电网电压不对称时也同样有效，使用p - q 法测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差。 瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功分量、不 对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性但是此 理论是基于三相三线制电路提出的，对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后再构 造基于瞬时无功功率理论的单相电路的谐波检测电路。 近年来，国内外科学家对瞬时尤功功率理论进行了发展，提出了广义瞬时无功功率理 论，在此笨础上出现了基于广义瞬时无功功率坪论的谐波检测t 方法，并且受到重视，开始 6 江蒜大学博 ：学位论文 进入t 程应州。广义瞬时无功功率理论与瞬时无功功率理论样，主要在解决谐波总量实 时测量方面很有优势，而不能解决各次谐波检测问题。受电机d - q 旋转坐标变换的启发， 有学者还提出- r 基于广义d - q 旋转毕标变换的谐波检测方法，该方法可以实现并次谐波的 检测，不过由于该方法电路耗费柏“1 大，日前尚保持在理论探讨上，t 程席川研究并不深 入。 五同步测定法 该方法 ”0 3 原广泛川于通讯系统，它的优点是信号检测畸变小，放大系数高，波形快 速跟踪能力强，近年开始用于单相电流的测定。单相电路。p 有功电流可以表示成： i ( t ) = 2 ( b 。) v ( f ) ( 1 - 1 ) 其中如为消耗的平均功率，为电压最大值，v ( r ) 为电压瞬时值。现提出把该方法 由单相扩展到不平衡三相电力系统畸变电流检测的依据是：可以分别计算每+ 相的补偿分 量，因此不必要求三相负荷电流相等。根据补偿后电源侧的3 种不同情况，该方法又可分 为等功率、等电流、等电阻同步测定3 利，途径。文 1 7 0 的仿真结果表明同步测定法的3 种 途径，都可以实现对不平衡三相电力系统i l t 无功和谐波电流的实时检测，并可获得较理想 的补偿效果，补偿后的电流均为与相电压同相位的正弦波，基本消除了无功和谐波成分并 且采j 月同步测定法的3 4 i 途径，还可以校正功率因数，减少线路损耗，平衡线路电流。 六自适应检测法m 】 其原理如图i 1 所示。 该方法是根据自适应干扰对消的原 理，将自适应干扰对消信号处理技术用于 无功和谐波电流的自适应检测。当检测出 的无功电流( f ) ( 包括谐波电流) 中不含 有与电压y “) 线性相关的分量时，按照正 交原理，乘法器1 的输出不含直流分量， 积分器的输出不变。这时电路达到理想的 稳定状态。输出电流t ( f ) 就是所要检测的 无功及谐波电流。 图11 无功及谐波电流自适应检测原理框图 f i g l 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i c sc u r r e n ts e l f - a d a p t i n gd e t e c t i o n 当检测出的无功电流t ( f ) ( 包括谐波电流) 含有与电压矿( f ) 线性相关的分量时，按照正 交原理，乘法器1 的输出含有直流分量，积分器的输出根据乘法器l 输出的直流分量的极性 增加或减小，从而乘法器2 的输出即反馈量也增加或减小，从而抵消t ( f ) 中与电雎y ( f ) 线 性相关的分量，使t ( f ) 趋向于f ，( f ) 巾的无功和谐波分量。该检测系统全部采川模拟电路实 现，以满足瞬时性检测的要求，实验证明，用该方法构成的闭环连续调整检测系统，其运 行性能几乎与元件参数无关。、电源电压产生畸变和基频偏移时，检测系统仍能正常运行， 些十小波分析与遗传算泣的静止无功补偿研究 且有优良的自适应能力。：需要只检测谐波时，只需将电胝移相9 0 。，从而得到两个正交 的参考量，然后再增加个同样的权调整支路即可。 七小波变换 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 楚针对傅立叶变换( f o u r i e r t r a n s f o m l ，f t ) 在分析非稳态信号方面的局限性形成和发展起米的种 1 分有效的时频分析丁具。w t 与 f t 相比，它是+ 个时间和频率的局域变换，冈而能有效的从信号r 1 提取信息，通过伸缩 和平移等运算功能对信号进行多尺度分析( m u l t i s c a l ea n a l y s i s ) 它克服了f t 在频域完全 局部化而在时域完全无局部性的缺点，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大优越性， 日前是波动谐波、快速变化谐波的丰要检测方法。但是w t 并不能完全取代傅里叶变换， 这是冈为一方面w t 在稳态谐波检测乃面并不具备理论优势，另一方面w t 的理论和应 用研究时间相对较短，w t 虑川在谐波测量方面尚处于初始阶段，还存在着许多不完善的 地方，例如缺乏系统规范的最佳小波基的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格、 能量集中的小波函数以改善检测精度的规范方法。冈此、t 与f t 存在瓦补的优势。 八神经网络 神经网络( n e u r a l n e t w o r k ，n n ) 由心理学家w s m c c a l l o c h 和数学家w p i a s 于1 9 4 3 年提出。近年来，国内外应用n n 进行谐波检测的相关研究文献迅速增加，并取得了些 t 程麻_ l f j 成果，概括起来有两个方面【3 2 1 川【3 4 1 【3 5 】：其一，提出了基于多层前馈网络n n 的电 力系统谐波检测方法，该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前 馈神经网络，来进行谐波检测：其二，将神经网络和白适应对消噪声技术相结合进行谐波 检测。 谐波的n n 检测方法显现出的优点有：计算量小；检测精度高，各次谐波检测精 度不低于f t 和w t ，能取得令人满意的结果；对数据流长度的敏感性低于f t 和w t ； 实时性好，可以同时实时检测任意整数次谐波；扰干扰性好，在谐波检测中可以应用。 些随机模型的信号处理方法，对信号源巾的非有效成份( 如直流哀减分量) 当作噪声处理， 克服赚声等非有效成份的影响。n n 和w t 。样，都属于目前正在研究的新方法，研究和 应用时问短，实现技术尚需完善，因此口前在工程应用中还未优先选用。 综上所述，傅里叶变换是目前谐波测量仪器中广泛应用的基本理论依据；神经网络理 论和小波分析力法应i j 于谐波测量，仍是日前正在研究的新方法，它可以提高谐波测量的 实时性和精度；瞬时无功功率理论可用于谐波的瞬时检测，也可用于无功补偿等谐波治理 领域。硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时控制奠定了 基础。谐波测量算法向复杂化、智熊化发展；求解方法从直观的函数解析，进入复杂的数 值分析和信号处理领域。但谐波测量与谐波分析如何相互配合：针对非稳态波形畸变，寻 求新的数学方法，建立更为完善的功率定义和理论，将新理论应朋于谐波测量：提出新的 测量方法和测量手段，使谐波测量在精度和实时性方面取得突破，仍是人们关注的方向。 江嚣大学博十。学位沦文 1 3 小波理论在电力系统中的应用 小波分析，又称为子波分析，它汲取了现代分析学t p 诸如泛函分析、数值分析、f o u r i e r 分析、样条分析、调和分析等众多分支的精华，是本世纪数学研究成果中杰出的代表之1 。 小波分析是一种时域一频域分析，它在时域一频域同时具有良好的局部化性质。它可以根 据信号不同的频率成份，在时域和空问域自动调节取样的疏密：频率高时，则密；频率低 时，则疏。即时宽和频宽会随着频率的变化而自适应变化，冈此被誉为“数学显微镜”。 基于小波分析的这些优良特性，可以观察函数、信号、图像的仟意细节，并加以分析。从 而，小波分析在信号分析与重构、信号和噪声分离技术、特征提取、数据压缩等工程应用 上显示出优越性。 1 3 1 小波理论的发展概况 小波弹论的发展过程来说，大致可分成三个阶段： ( ) 孤立应用时期。丰要表现是构造一些特殊的小波并在某些专业领域零散应用。 这个时期起始于1 9 1 0 年，数学家h a r r 提出了“小波”的规范正交基( n o r m a lo m h o g o n a l b a s e ) ，即h a r r 基。1 9 3 8 年，l i t t l e w o o d - - p a t o y 提出二进频率分组( d y a d i c f r e q u e n c yr e s o l u t i o n ) 以及对f o u r i e r 变换的相位变化本质上不影响函数的l p 理论。1 9 7 5 年，c a l d e r o n 提出 冉牛公式( r e g e n e r a t i o nf o r m u l a ) 。这个时期最典型的代表性t 作是1 9 8 1 年j s t r 6 m b e r g 对 a h a r r