[精品论文]电力谐波检测系统设计论文

1、建筑资料下载就在筑龙网摘要电力系统中许多电气元件都产生不同程度的谐波，各种整流设备，交直流换流设备尤 为严重。由此带来的危害和其谐波抑制是广泛关注的课题。木文首先介绍了谐波的基木概念、谐波的产生及其危害、电网对谐波电压和谐波电流 的限值，阐述了谐波问题研究的必要性，国内外研究的状况及本文研究的内容，然后分析 了谐波理论基础，详细的介绍了单相和三相谐波检测方法、及基于瞬时无功功率检测方法。 最后对设计的谐波检测方法，利用matlab/simulink进行仿真，在仿真中，利用 matlab/simulink建立了整流电路总体仿真模型。编写了数据傅立叶分析软件。通过仿真 波形、分析数据表明了此仿真模

2、型的真实性和方案的可行性。关键词 谐波电流检测；瞬时无功功率理论；matlab/simulink;数字信号处理築龍網建筑资料下载就在筑龙网abstracta lot of electric components produce various degrees of harmonies in the power system, it is particularly serious to do it such as various kinds of rectification equipment and inverters and converters. therefore the danger

3、brought and its wave in harmony are suppressed it is subjects that a lot of people pay close attention to extensively.the paper introduces the concept of harmonics, its harm to power grid and limitation of harmonics voltage and current harmonics, and it also demonstrates the necessity of eliminate h

4、armonics, and briefly introduces several methods to eliminate harmonics and research of both here and abroad the paper analyzes the principles of the harmonic. then the paper detailed introduces the theory of the way of harmonic currents of a single-phase and the way of harmonic currents of a there-

5、phase and instantaneous reactive power,. in the end the paper simulates harmonics detection methods by matlab/simulink. in the simulink, utilize matlab/simulink to set up commutate circuit mode. write its data fft analyses software. by showing the wave form and analyzing data, indicate the authentic

6、ity of this simulink model and feasibility of the scheme.key word: harmonic current detection; instantaneous reactive power theory; matlab/simulink; dsp建筑资料下载就在筑龙网摘要iabstractii第1章绪论21. 1引言21.2课题来源及研究的目的和意义21.3国内外在该方向的研究现状及分析3第2章 谐波理论基础42. 1谐波的基本概念42.2谐波的产生62.3谐波的危害62.4谐波限制标准72. 5本章小结8第3章 谐波检测方法分析93.

7、 1频域理论93.2时域理论93. 2. 1快速傅立叶变换93.2.2基于憐时无功功率检测方法103.2.3基于神经网络的谐波检测方法193. 3本章小结20第4章仿真分析214. 1仿真软件简介214.2三相整流电路仿真224.3单相整流电路仿真274.4基于瞬吋无功功率的单相谐波检测294. 5本章小结32结论33致谢34参考文献36建筑资料下载就在筑龙网第1章绪论1.1引言屯能作为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重耍 标志2。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模口益扩大，电能紧缺 的问题已逐步解决，但与此同时，用户对提高电能质量的呼声也越来越高

8、。电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合规定值的偏差。90年代 以前电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作;但是在 90年代后期信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备 在工业生产中大量投入使用，他们对干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也 更高叭一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，由此 带来的损失是难以估量的。从环境的角度来看，电力系统也是-种“环境”，同样存在着污染的问题，电网中存在 的谐波屯流和谐波电压就是对电网环境的一种严重污染。在电力系统中大功率换流设备和 调压装置的利用、

9、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系统本身存在的 非线性元件等使得系统中的电压波形畸变越來越严重，对电力系统造成了很大的危害使供 电系统屮的元件损耗增大、降低用电设备的使用寿命、干扰通讯系统等。严重时其至还能 使设备损坏，自动控制失灵，继电保护误动作，对电感和电容构成的串联或并联电路述冇 可能产生串联谐振或并联谐振，其形成的谐振过电压或过电流将大大增加，给电容器、系 统及用户造成严重危害。谐波对电力系统的影响和危害同自然坏境污染一样，已成为一种公害。为了保证供电 质量、提高系统运行的安全性和经济性，电网谐波抑制问题已成为当前电力系统屮迫切需 要解决的课题。1.2课题来源及研究的目

10、的和意义电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。随着电力电子装置的 应用口益广泛，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置带来的谐波问题对电力系统 安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电 网的一大公害，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。谐波问题涉及而很广，包 插对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制 标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的检测方法等。为了避免这些谐波的不良 影响，有必要对其题，谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的关注, 当吋在德国使用静止汞弧变流器而造成电

11、压和电流波形畸变。20世纪70年代以来，电力建筑资料下裁就在筑龙网电子技术的飞速发展，使谐波问题日益突出，已成为阻碍电力电子技术发展的一大障 碍。目前，谐波、电磁干扰、功率因数降低已并列为电力进行分析和抑制。1.3国内外在该方向的研究现状及分析电力系统的谐波畸变并不是一个新的研究课系统的三大公害。电力系统的谐波畸变并 不是一个新的研究课系统的三大公害。国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六i年 代，当吋的研究主要是针对高压直流输电技术屮变流器引起的电力系统谐波问题。进入70 年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题口趋 严重，从而引起世界各国的高度重视。各种

12、国际学术组织如电气与电子工程师协会(ieee)、 国际电工委员会(iec)和国际大电网会议(cigre)相继各自制定了包括供电系统、各项 电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国对谐波问题的研究起步较晚，进入 20世纪80年代才开始开展有关谐波的研究工作，国内许多高校和研究单位都开展了谐波 的研究治理工作。国家技术监督局于1993年颁布了国家标准gb / t14549-93电能质量公 用电网谐波，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。建筑资料下载就在筑龙网第2章谐波理论基础2.1谐波的基本概念在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为弘(/) = 4

13、1u sin(vvz + a)(2-1)式中：电压有效值初相角血一角频率,(0=2兀f = 2兀it/-频率；t-周期正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和 微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加非线性电路上吋，电流就变为非正弦波, 非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电圧波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加 在线性电路时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2ji!co的非正弦电压讥曲)，一般满足狄里 赫利条件,可分解为如下形式的傅里叶级数：u(a)t) f + 工(色 cosncotbn sinner)(2-2)h=i式中：12穴aq =i

14、 u(cot)d(cot)271戈1 f2托an = i u(cot) cos ncotcl (cot)71力1伴兀bn = i u(cot) sin ncotd (cot)71力(归23,)oo或u(曲)=a()+ 工 j smncot + 妞)(2-3)n=l式中，q、©和、化的关系为建筑资料下载就庄筑龙网c“ =仇2(p =arctg(ah/bn) an=cn sin(pn bn=cn cos(pn在式(2)或(3)的傅里叶级数屮，频率为1/t的分量称为基波，频率为大于1整数倍基波频率 的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均为非正弦电压为例，对于

15、非正弦电流的情况也完全适用，把式屮班曲)传成i(o)即可。 n次谐波电压含冇率以hrun (harmonic ratio un)表示：(2-4)hrun 二乞x 100(%)式中u” 第n次谐波电压有效值；5 -一基波电压有效值。n次谐波电流含有率以表示。(2-5)hrin =xl00(%)/】式中in第n次谐波电流有效值；人 基波电流冇效值。谐波电压含量和谐波电流含量乙分别定义为：5 =电压谐波总畸变率thdu和电流谐波总畸变率thd.分别定义为:(2-6)w=xw0(%)thd：丄 x 100(%)(2-7)築龍網建筑资料下载就在筑龙网以上是冇关谐波与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一

16、个周期电气量中频率为 大于1整数倍基波频率的正弦波分量。谐波次数n必须是大于1的止整数。n为非整数时的 正弦波分量不能称为谐波。当n为非整数的止弦波分量出现时，被分析的i 期为t的电气量了。但在某些场合下，供电系统中的确存在一些频率不是? 的分数次波，分数次波产生的原因、危害和抑制方法也均和谐波很相似。i电流的暂态现象和谐波是不同的。在进行傅里叶级数变换时，要求被变换的波形必须是不变的周期性波形。实际供电系统的负载总是变化的，因此莫电压、电流波形也是不断 变化的。进行分析时，只要被分析波形能持续一段时间，就可以应用傅里叶级数变换。暂 态现象在供电系统中总是不断发生的，有时也会对供电系统和用户带

17、来不利影响。对于非正弦波形，有时也用波形因数和振幅因数来描述其波形特征。波形因数是非正 弦波形的有效值和整流后的平均值之比。振幅因数是非正弦波形的幅值和有效值之比。波 形因数、振幅因数都只是描述了非正弦波形的某一个数字特征，两者之间没有一一对应的 关系。他们和非正弦波形的谐波含量更没有一一对应的关系。2.2谐波的产生谐波的产生主要由如下：一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁 心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说 很少。二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁 心的饱和，磁化曲线的非

18、线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲 线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远， 谐波电流也就越人，其中3次谐波电流可达额定电流的0. 5%o三是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、 充电装置、开关电源等许多方而得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我 们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下 的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一，部分缺角的正弦波，显然在留 下

19、部分屮含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐 波电流，其屮3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波 含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边供电线 路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电 流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所冇谐波的近40%,这是最人的谐波源。築龍網建筑资料下我就在筑龙网变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了7 成份很复杂，除含冇整数次谐波外，还含冇分数次谐波，这类装置的功率 变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多

20、。i电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料, 使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注 入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%,最大可达45%。气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气休放电类 电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的述含有负的伏 安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置， 会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的 变化也能使

21、波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之o2.3谐波的危害理想的电网提供的电压，应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和 谐波电压的产生，对电网是一种污染，它将使用电设备所处的坏境恶化，也对周围的通信 系统和电网以外的设备带来危害。近几i年来，齐种电力电子装置的迅速普及使得电网的 谐波污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性已引起 人们的高度关注。谐波对电网和其它系统的危害大致有如下儿个方面：(1) 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率， 大量的3次谐波电流流过屮性线吋会使线路过热，甚至发生

22、火灾。(2) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产 生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大可能出现局部严重过热。谐波使电容器、 电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。(3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使 和 的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。(5) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量;重者导致信息 丢失、使通信系统无法正常工作。2.4谐波限制标准由于公用电网屮的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网木身都会造成很大的

23、危害我 们需要采取措施对谐波进行抑制。同吋，在实际系统屮，完全消除谐波是不可能的为保证 电能质量，保证系统的安全经济运行，世界上许多国家都给出了限制电网谐波的国家标准， 或曲权威机构制定限制谐波的规定，世界各国制定的谐波标准人都比较接近。谐波指标的 选取要满足：必须具有物理意义；能反映出谐波影响的人小；町通过测量判断谐波是否超过 允许值;为了能厂泛的采用必须简单和实用川。为此，在我国现行的标准是国家技术监督局 于1993年发布的中华人民共和国国家标准gb/t 14549-93电能质量公用电网谐波，该 标准从1994年3月1 h开始实施。该标准包含谐波电压限值和谐波电流允许值;谐波电压限值是指公

24、用电网谐波电压(相 电压)限值,见表2-1表2-1公用电网谐波电压（相电压）限值电网标称电压/kv电压总谐波畸变率（%）各次谐波电压含有率（%）奇次偶次0. 385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8谐波电流允许值是指公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不 应超过表2-1屮规定的允许值。表2-2注入公其连接点的谐波电流允许值标准 电压 /kv基准短路 容量 /m va谐波次数及谐波电流允许值/a2345678910111213140. 3810786239622644192116281324116100433421341

25、4241111& 5167. 1136. 11010026201320& 5156.46.85. 19.34.37.93.73525015127. 7125. 18.83.84. 13. 15.62.64.72.26650016138. 1135.49.34. 14.33.35.92.75. 02.3110750129.66.09.64.06.83.03.02.44.32.03.71. 7该标准中还给出了当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2-2基准短路容量时的 修正计算式和一些谐波的基木计算式。築龍網建筑资料下载就在筑龙网2. 5本章小结本章主要讲述了谐波理论的一些基础知识

26、，分析了谐波的來源、谐波7 制标准及一些常用的谐波计算式。i第3章谐波检测方法分析电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。谐波检测是 谐波问题中的一个重要分支，是解决其他谐波问题的基础，也是有源电力滤波器抑制谐波 成败的关键技术口电力系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等因素影响，对其进 行准确检测并非易事，因此人们在不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术。谐波检测伴随着交流电力系统发展的全过程，诞牛了频域理论和吋域理论，形成了多 种谐波检测方法，如基于傅氏变换的频域分析法、快速傅立叶

27、变换、瞬时无功功率理论、 神经网络等。3.1频域理论早期的谐波检测方法，都是基于频域理论，主要是基于傅氏变换的频域分析法。这种 分析方法是以傅立叶变换为基础的，傅立叶变换一直是信号处理领域屮应用最广泛、效果 最好的一种分析手段，利用它对非正弦连续的时间周期函数进行变换也是谐波分析最基本 和最常用的方法。这种方法根据采集到的1个周期的电流值或电压值进行计算得到，该电 流所包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相位系数，将要抵消的谐波分量通过傅立叶变 换器得出所需的误差信号，再将该误差进行傅立叶反变换，即可得补偿信号。缺点是:需要一定的吋间采样并且要进行两次变换，计算量大、实吋性不好，因此该方 法大多

28、用于谐波的离线分析，难以实现现在所要求的在线的信号检测分析。而且傅立叶变 换只是一种纯频域的分析方法，它在频域的定位性是完全正确的，而在时域无任何定位性。出于频域理论存在上述较严重的缺陷，随着电力系统谐波检测要求的提高以及新的谐 波检测方法日益成熟，该方法已不再应用。3.2时域理论由于频域理论存在上述诸多缺陷，不能在实际中应用，国内外许多学者都进行了不断 的研处，寻找更先进的方法，从而岀现了快速傅立叶变换、瞬时无功功率理论、广义d-q 旋转坐标变换、小波变换、神经网络等谐波检测方法。3.2.1快速傅立叶变换基于傅氏变换的频域分析法由于计算量大、实时性不好，不能应用于工程实际，人们 对其进行了改

29、进。1965年美国cooly和tukey两人提出快速傅立叶变换(fast築龍網4 建筑资料下载就在筑龙网fouriertransformation, fft),用快速傅立叶变换获取各次谐波信号的幅值、： 量时间是信号周期的整数倍和采样频率人于nyquist频率吋，该方法检测精/ 功能多且使用方便，在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。i目而，基于fft技术己相当成熟，但是fft也有它的局限性:(1) 从模拟信号屮提取全部频谱信息，需要取无限的时间量，使用过去的和将来的信 号信息只能计算区域频率的频谱；(2) 没有反映出随时间变化的频率，当人们需要在任何希槊的频率范围上产生频谱信息时，fft

30、不一定适用;(3) 由于一个信号的频率与其周期长度成正比，对于高频谱的信息，时间间隔要相对地 小，以给出比较好的精度，而对于低频谱的信息，时间间隔要相对地宽以给出完全的信息, 亦即需要一个灵活可变的时间一频率窗，使在高“中心频率”时自动变窄，而在低“中心 频率”时自动变宽，fft自身并没有这个特性，口前谐波的fft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。针对fft这一局限性，1946年gabor提出 的短时傅立叶变换(short time fourier transformation, stft)(又称加窗 ft 或 gabo:变换)， 对弥补fft的不足起到了一定

31、的作用，但并没有彻底解决这个问题；(4) fft需要一定时间的采样值，计算量大，计算时间长，使得检测时间较长，检测结果实时性较差；(5) 对非整数次谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现彖，使计算出的信号参数一频率、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fft进行改进，己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、基于fft的数字化分析法、双速率同步采样法及利用锁相同步采样法使信号频率 和采样频率同步，其屮加窗插值算法己发展出矩形窗、海宇窗、布莱克曼窗、布莱克曼一 哈里斯窗等数-1 种窗供不同场合选择使用。目前，在电力系统中稳态谐波检

32、测中人多采用fft及其改进算法，而对于波动谐波或 快速变化的谐波，则需要采取其他方法。3. 2. 2基于瞬时无功功率检测方法三相瞬时无功功率理论是h本学者赤木泰文于1983年首先提出的，此后经不断研究逐 渐的到了完善。现已包括”-纟法、-j法、d-g法。p-g法最早应用，是仅适用于对称 三相且无畸变的电网；法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网的 检测；基于同步旋转park变换的d-g法，不仅简化了对称无畸变下的电流增量检测，而且也适用于不对称、有畸变的电网检测。、匕利为:龍網. 建筑资料下裁就崔筑龙网假设三相电路的电压和电流瞬时值分别为-、 们用下而的变换式变换到& -

33、0两相正交坐标上。(3-1)(3-2)式中1 -1/2 -1/2 0 v3/2 j/2在图3.1所示的g-0平面上，向量匕、切和0、s分别口j以合成为(旋转)电压向量e和电流向量ie = ea+ef= ez-(pe(3-3 )i = ia + ip = iz %( 3-4 )式中e i相量£、2的模(pe > (pi相量e、i的幅角。(1) 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流。分别定义为相量i在相量幺及其法线上 的投影,即：i 二 i cos (piq = i sin 0 式中 (p =(pe-(pio(3-5)(3-6)未築龍網x zhulongxom建筑资料下载就在筑龙网0

34、平面中的.、iq如图3.1所示。图3-14 0平面图(2) 三相电路瞬时无功功率g (瞬时有功功率p )为电压相量幺的模和三相电路瞬时 无功电流-(三相电路瞬时有功功率j)的乘积。即p =叫(3-7)q = eiq(3-8 )将方程式(9)、式(10)及0 = q代入方程式(11)、(12)屮，并写成矩阵形式得pclapq将方程式（5）、式（6）代入上式，可以得出p、q对于三相电流的表达式:9 二击("一 eek +(cc ea )" + (匕一色)"(3-9)(3-10)(3-11)由方程式（14）可知，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。无功电流-（瞬

35、吋冇功功率仃）在q、0轴上的投影，即:e=lp cos(pe =i築龍網x zhulongxom建筑资料下我就崔筑龙网从（3）的定义可以得到以下性质:(3-13)(3-14)(3-15)(3-16) ap + lap(3-17)(3-18)1pp + 1pp = lp(3-19)上两式是由&轴和0轴正交而产生的。某一相的瞬时有功电流和瞬时无功电流也可以分别为该相瞬时电流的有功分量和无功 分量。（3）a、0和的瞬时无功电流匚、几（瞬时有功电流匚、切）分别定义为三和电路瞬时（4）a、0相的瞬吋无功功率、q卩（瞬吋有功功率几、分别定义为该相瞬吋电压和瞬时无功功率电流（瞬时有功电流）的乘积，即

36、(3-20)(3-21)(3-22)(3-23)从（4）得定义可以得到以下性质:築龍網卩卩=卩建筑资料下载就在筑龙网(3-25)（5）三相电路各相的瞬时无功电流口、匚、icq （憐时有功电流iap > ihp > icp）定义为a、 0两相瞬时无功电流、匕（瞬时冇功电流.、切）通过两相到三相变换所得到的结果。 即(3-26)(3-27)式屮 c23 =07将方程式（3-12）代入方程式（3-26）、式（3-27）中得到(3-28)(3-29)(3-30)(3-31)5=（勺_耳）彳(3-32)(3-33)築龍網 zhulongxom建筑资料下载就在筑龙网式中：a = ©

37、_ 勺尸 + (% -乞)2 + g 一 ea)2 = 2佃 + 蛙 + £ - 巒厂 ebec - ecea)从以上齐式可以得到以下性质：口 + ibp + hp = °q + 扁 + 'eq = 0(3-36)(3-37)(3-38)上述性质和（3）定义屮的性质相对应。（3）定义屮的性质的上两式反映了&相和0相的正交性，而这里的性质中上两式，则反映了 a、b、c三相的对称性。（6） n、b、c各相的瞬时无功功率务、qc （瞬时有功功率几、px代）分别定 义为该相瞬时电压和瞬时无功电流（瞬时有功电流）的乘积，即(3-39)(3-40)(3-41)(3-42

38、)(3-43)(3-44)（6）定义也有和（4）定义类似的性质:pa + ph + pc = p(3-45)么+么+么=°(3-46)传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值基础或向量的意义上定义的，它们只 适用于电压、电流都是正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的 基础上定义的。因此，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。 从以上各个定义可知，瞬吋无功功率理论的概念，在形式上和传统无功功率理论，但比传 统理论有更大的适用范围。基于瞬时无功功率理论的检测法，在只检测无功电流时，可以无延时地得出检测结果。 检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波

39、的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时,築龍網建筑资料下载就在筑龙网但最多不超过一个周期。对于电网屮最典型的谐波源一三相桥式整流器, 1/6周期，具有很好的实时性。3. 2. 2. 1 p _ q 法"be eeec32ca i.* *p - lpf5 -二ai卩>q > lpfaaa aa>- 八 c图3-2 一 q法框架图此法根据定义算出p、q,经过低通滤波器(lpf)得到p、q的直流分量、q,电压波形无畸变时，p为基波有功电流与电压的作用产生，g为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由/八q即可检测出电流的基波分量°、切、°。(3-47)

40、将。、口、口与、-相减，即可得出匚、必、的谐波分量初。将、嗨、心与；、l心相减，即可得出必、sicd o下注中的d表示由检测电路检测i!的结果。、.谐波分量和基波无冬卜築龍網x 建筑资料下载就在筑龙网当冇源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对彖屮的谐波和无 功电流。在这种情况下，只需断开图3.2中的g的通道即可。这吋，由p即可检测出电流s 几、-的基波有功分量口/、鷗、心为(3-48)由于采用了低通滤波器（lpf）求取卩、q,故当被检测电流发生变化时，需要经过一定的延迟时间才能得到准确的、q。但当只检测无功电流时，则不需要低通滤波器，而只 需要宜接将q反变换即町得出无功电

41、流，i大i而无延迟时间。得到的无功电流如下式所示。(3-49)对于三相三线制电路只要电压波形发生畸变时，不论三相电压、电流是否对称，p-q法 检测的结果都有误差，只有误差情况有所不同。3. 2. 2. 2 一 iq 法此法的原理如3. 3所示，图屮(3-50)sin cot cosqt c =-cos69t sin69t在此法中，需要用到与a相电压ea同相位的正弦信号sin初和对应的余弦信号-coscot, 它们由一个锁相环(pll)和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计算岀ip、iq 经低通滤波器(lpf)滤波后得到ip、iq的直接分量ip、i；o这里i；、i；是由。、ibf>

42、 icf产生的，因此i；、i；即可计算出 f、i进而计算出iz与卩-q法相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图3.3屮九的通道即可。 而如果只需要检测无功电流，则只要对iq进行反变换即可。“-纟法和匚-j法既可以用模拟电路实现，也可以用数字电路实现。当用模拟电路实现 时，“-纟法需要10个乘法器和2个除法器a法只需要8个乘法器。为了保证检测的 精度，最好选用高性能的四象限模拟乘法器芯片。由th 法只取sin cot. -cost参与运 算，畸变电压的谐波成分在运算过程屮不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响。3. 2. 2. 3 park 变换的d-g 法d-q法是目前谐波实时计算

43、的主要方法，此法的特点是不仅简化了对称无畸变下的电 流增量检测，而且也适用于不对称冇畸变的电压检测，其基本原理如下：瞬时三相电流或电压通过如下的变换，变换到d-q坐标上iq+iq(3-51 )iocos 69/1z 2兀、z2兀、cos(69t- -) cos(0t+ ) /2兀、-sin(/yt+)13 z 2兀、 -sin(o>t)(3-52)d -q检测法的原理图如3. 4所示，d轴屯流直流分量j与负载的有功功率相对应，g轴电 流直流分量匚与负载基波相位移的无功功率相对应，d轴交流分量力和0轴分量与负载基 波不对称及高次谐波无功功率相对应。d-g变换计算谐波的原理如图3.4所示。图

44、3.4中ia. ih. ic为三相输入电流，0、切、°为计算基波输出电流，它们z弟即 为三相谐波电流iah > ibh > ich o d-q变换是将静止坐标系屮的相量变换到以基波角速度旋转的坐标系中，变换后的信号与原信号频率相差一个基波频率，即50hz。如； 三相特征谐波1仏(基波)、5th. 7仏等，则分别对应于d-q坐标系屮的直淤空 低通滤波器滤除所有交流谐波后，其直流成分通过d-q反变换(c，)即可|建筑资科下蕨就庄筑龙网图3-4 d-q法框架图3. 2. 3基于神经网络的谐波检测方法神经网络(neural network -nn)的研究始于 1943 年，经过

45、d.o.hebb. f.rosenblatt.b. window和jjhopfield等人对学习算法、神经网络模型的不断改进，使神经网络不断发展， 尤其是webos的多层前馈网络的反向传播算法(back propagation- bp算法)的提出，给神经 网络的研究和在实际屮应用带来了希槊。近年来，乂岀现了许多模型和算法，在自适应滤 波、预测和模式识别屮有所应用。同吋，人工神经网络(atificialneunilnetwoi'kann)的兴 起也给电力谐波测量提供了一种新的研究途径。人工神经网络是由一些称之为神经元的基 本单元按一定规则互联而成的自适应系统，它具冇人脑神经网络的一些基本

46、特征，诸如信 息的分布式存储和人规模并行处理、自适应和自学习能力等功能。应用神经网络口j以检测 出各次谐波分量，这种方法是用一个多层前馈神经网络替代模拟并行式谐波测量装置中的 带通滤波器，使各次谐波都可以用这个训练过的神经网络测量出来1581o虽然神经网络响 应速度快，但是对各次谐波分量全部进行检测会使网络规模增大、结构复朵;使训练样本增大，山用大量的存储空间；同时也使网络的实时性变差，不利于在线应用。谐波的神经网络检测方法的优点有：1、计算量小；2、检测精度高，各次谐波检测精度均不低于傅立叶变换和小波变换，能取得令人满 意的结果；3、对数据流长度的敏感性低于傅立叶变换和小波变换；4、实时性好

47、，可以同时实时检测任意整数次谐波；5、抗干扰性好，在谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理方法，对信号源中的 非有效成份（如直流衰减分量）当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响。建筑资料下载就在筑龙网3. 3本章小结木章对口前国内外一些常用的谐波实吋检测方法进行了研究，分析了传统的傅里叶和 fft算法，改进的傅里叶级数法，改进的傅立叶级数法能同吋进行吋域和领域分析，和神经 网络的谐波检测方法。重点分绍了瞬吋无功功率法，理论分析和仿真结果证实了这种方法 的可靠性。在实际检测中，瞬时无功功率法在谐波检测及无功功率补偿方面应用最为广泛。築龍網建筑资料下载就崔筑龙网第4章仿真分析计算机仿真是现在科

48、学研究屮的一种重要手段，应用软件在计算机模拟上模拟实际的 系统，尤其应用在实际实验可能对元件具有破坏性的系统屮。在电力电子技术方面，由于 实际试验可能会造成元件或试验设备的烧毁，尤其在高压电力系统屮去进行试验，甚至发 生更严重的事故。因此，计算机仿真已经成为一种公认的经济、有效的设计方法。通过仿 真对其进行各方面性能的检测，避免了一些事故的发生，也降低了开发成本。4.1仿真软件简介matlab （mattix laboratory的缩写）是美国的cleve moler博士开发一套集命令、 科学计算于一身的交互软件，它于1984年首次推出。matlab |提供了一个动态仿真工具软 件包simul

49、ink,用于对动态系统进行建模、仿真和分析，它支持连续、离散及两者混合的 线性和菲线性系统，也支持具有多种采样速率的多速度系统。具simulink仿真软件包屮 包含有sources（输入源）、sinks（输出源）、continuous （连续环节）、discrete （离散环节）、 math（数学库）、functions&tabelsc函数模块和查表模块）、linearc线性环节）、nonlinear （非线性环节）signals&systems （信号和系统模块）blocksets &toolboxes （模块库和工具箱） demo （例程库）等多个模型库。其中专为电

50、力系统仿真提供的psb （power system blockset） 模块库。psb功能强大，为电力系统仿真提供了 electrical sources（电源模型）、elements （元 器件模型）、power electronics （电力电了器件模型）、machines （机械系统模型）、connectors （连接线模型）、measurements （测量模型）、powerlib extras （特殊电力系统模型）、demo （例程库）、powergui （电力系统图形界面模型）等多种电力系统仿真所需的模块，如下图 所示。築龍網-建筑资料下裁就在筑龙网其中，electrical so

51、urces为电力系统仿真提供了交直流电压源/电流源模型；elements 主要提供了负载、线路和单相变压器摸型；power electronics模型库提供了多种电力电子器 件模型，这些模型为facts装置的仿真提供了极大的便利。这些电力电子器件模型考虑了 实际的电力电子器件的各种详细参数，能够精确地描述电力电子器件的各种物理特性； machines提供了同步电机、异步电机、励磁系统和水轮机调速模型；connectors提供了母线和连接线等模型；measurements提供了电压 和电流测量元件（pt和ct）模型；powerlib extras提供的模块比较多，主耍包括：有功无 功测量模型、傅

52、力叶分析模块、三相电力系统模型、一些电力系统小的控制模块和直流电 机模型。powergui的功能则主要是建立所需仿真系统的状态方程，计算系统的稳态潮流， 并可对系统状态变量设置初值。通过matlab仿真软件对设计系统进行仿真，可得到各种工况下的电压、电流波形、功 率因数和谐波分布。4.2三相整流电路仿真（1）本节在简化系统结构，并不影响说明问题的基础上，采用三相电路进行分析。图 4-4是三相桥式整流电路仿真模型。其中，电源电压为220v,频率为50hz,负载电阻为100。ac1to workspace图4-2三相桥式整流电路仿真模型对图4-2进行仿真，从示波器scope小得到的电流波形如图所示

53、604020-20-40aaaa50010001500200025003000築龍網zhulo 将图4-3屮的电流波形与理想的正弦波形相比，我们可以看到电流发生了畸变，这个图4-3电源侧电流波形畸变电流是由非线性负载一-不控整流产生的。当非线性负载越多，电流畸变的程度愈大。 对图4-2进行仿真，从示波器scopel中得到的电流波形入图4-4所示。这是整流后的 波形。图4-4负载电流波形（2）谐波含有率的分析计算matlab是一个强大的分析、计算和可视化工具，特别适用于数字信号处理算法的分 析和模拟，使用非常方便。但由于matlab程序的执行速度相对于实时信号处理来说，仍 显得的太慢，而matl

54、ab所依赖的平台是计算机设备，这类设备的休积、功耗不适合于实吋信号处理，设备的结构也无法满足实时信号处理所要求的高速数据输入输出，因此 matlab在数字信号处理技术屮，适合于对算法的模拟及对实测数据的事后处理。用 matlab对算法在dsp上运行的性能进行模拟，以验证算法本身的正确性。建筑资料下载就崔筑龙网为了对算法进行验证，看算法是否正确或在接近实际情况下, 必须对算法进行仿真，本设计在matlab环境下仿真。木设计的算法木设计计算无功和有功功率所采用的算法为傅立叶算法，它在理论上是无谋茅的，其过程就是对实际的物理量进行采样，然后将采样的值进行傅立叶分解，对分解后的电压和电流的傅立叶数值直接计算，然后再通过谐波含有率的公式来计算出谐波电流含有率。算法仿真首先，对电压和电流进行采样。在matlab屮，电压和电流由正弦信号来模拟，然后 对正弦信号进行采样，这样就相当于采样了电压和电流信号。将采样的值保存到matlab 工作空间中，供其它函数使用。这里用到了数字信号处理这门课中的离散傅里叶变换，用n-1_ 2肋 n-lqn-1少到公式 y伙）=£兀（刃）e ' n = £>r（n）cos（如）+ j£x