电力系统谐波检测与分析

1、毕业设计（论文）题 目： 电力系统谐波检测与分析系 别： 信息工程 专业名称： 电子科学与技术 班级学号： 108203135 学生姓名： 周天鹏 指导教师： 肖慧荣 二O一四 年 五 月电力系统谐波检测与分析学生姓名：周天鹏 班级：1082031指导教师：肖慧荣摘要: 近年来，随着现代工业的迅速发展，电力电子器件的应用日益广泛，随之带来的谐波污染也越来越严重，已经严重的影响到了电能质量，而且对各种用电设备的正常运行带来了消极影响。谐波检测是谐波问题研究的主要方面，实时、准确地检测电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况对于防止谐波的危害保障电网安全运行是十分必要的。本文首先阐述了电力系

2、统谐波产生的原因、谐波危害等以及电力系统各种谐波分析与检测方法。简单对傅立叶变换的谐波检测法、瞬时无功功率理论、神经网络等检测方法进行比较，为进一步的基于瞬时无功功率谐波分析与检测法研究做铺垫与参照作用。本文研究重点是根据瞬时无功功率理论，比较了两种谐波电流的检测方法p-q法和ip-iq法。本文主要运用ip-iq算法，其方法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，将原始电流信号进行按不同频带分离，进而完成基波与谐波的分离达到对电网中的谐波电流进行检测的功能。本文还运用了PROTEL对基于ip-iq算法的谐波电流检测方法的实现进行了硬件电路原理图设计。文章最后基于瞬时无功功率理论

3、的ip-iq算法，并借助MATLAB进行了仿真，最后给出仿真结果，验证了该方法的可行性和结论的正确性。 关键字： 电力系统 谐波 瞬时无功功率理论 PROTEL MATLAB仿真指导老师签名： Detection and analysis of power system harmonicsStudent name: Tianpeng-zhou Class: 1082031 Supervisor: Huirong-xiaoAbstract: In recent years, with the rapid development of modern industry, the applicatio

4、n of power electronic devices become increasingly widespread, harmonic pollution and brought more and more serious, have a serious impact on the power quality, but also for a variety of electrical equipment properly run a negative impact. Harmonic detection is a major aspect of the study harmonic pr

5、oblems, real-time and accurate detection of power harmonic content, the exact grasp the actual situation of the grid harmonic harmonic safeguards to prevent harm to the safe operation of the power grid is essential. This paper first describes the causes of power system harmonics , harmonic hazards a

6、s well as a variety of power system harmonic analysis and detection methods. Fourier transform simple harmonic detection method , instantaneous reactive power theory detection methods , neural networks were compared with reference to pave the way for further action instantaneous reactive power harmo

7、nic analysis and detection method based on . This paper focuses on instantaneous reactive power theory based on comparison of two harmonic current detection methods pq method and ip-iq method. In this paper, using ip-iq algorithm, the method is not only applicable when the grid voltage distortion at

8、 the grid voltage asymmetry are equally effective , the original current signal separation in different frequency bands , and then complete the separation of the fundamental and harmonic reached on the grid harmonic current detection function . The article also used the PROTEL to achieve harmonic cu

9、rrent detection method based on ip-iq algorithm are hardware circuit schematic design . Finally, based on instantaneous reactive power theory ip-iq algorithm , and with the MATLAB simulation, the simulation results are given to verify the feasibility of the method and the correctness of the conclusi

10、ons .Key words: Power Systems harmonics instantaneous reactive power theory PROTEL MATLAB simulationSignature of Supervisor:目 录1绪论1.1谐波检测的研究背景及意义.11.2国内外电力谐波研究现状及发展.21.3谐波抑制技术的发展现状.41.4本文的主要工作.52电力谐波理论介绍2.1电力谐波的基本概念.62.1.1谐波的表示方法62.1.2谐波的特征量72.2电力谐波产生的原因.82.2.1发电源质量不高产生谐波82.2.2用电设备产生谐波82.3电力谐波的危害.93

11、电力谐波电流的检测与分析方法3.1谐波检测算法及方案确定123.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测与分析方法143.2.1传统的功率理论153.2.2三相瞬时无功功率理论153.2.3谐波电流的检测方法163.3基于算法的谐波电流检测方法的实现.173.3.1系统硬件电路框图183.3.2具体模块电路图194仿真 4.1 MATLAB简介254.2仿真模型的建立及仿真结果.264.2.1 ip-iq检测法仿真274.2.2 a相仿真电流波形图275结论28参考文献29致 谢30南昌航空大学科技学院2014届学士学位论文321绪论1.1谐波检测的研究背景及意义电力系统的谐波问题早在20世纪20、3

12、0年代就引起了人们的注意，当时在德国，使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.ReaD发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，E.W.Kmbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电子技术的飞速发展，电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危益严重。谐波的研究具有重要意义，首先是谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁

13、。其次，谐波研究的意义还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护己成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的抑制也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。由于电力电子装置日益广泛地应用，电网中的谐波污染日益严重。同时也由于大多数电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负担。最后，电力系统三相不对称负载产生的负序电流也对电力系统和用户造成一系列危害，对供电质量产生很大的影响。伴随着信息时代对电能质量越来越高的要求，电力系统谐波电流检测与补偿已成为电力

14、系统领域的一个重大课题，受到越来越多的关注，很多国家都对此给予了足够的重视。在电力系统中，由于非线性负荷的作用，使得电压和电流的波形产生畸变，电网中出现了大量的高次谐波，使得电能质量下降。随着各类的非线性负荷的大量使用，电力系统谐波问题变的越来越严重，已经威胁到了电力系统的安全运行和经济运行。电力系统谐波检测与分析能够采用傅利叶变换和快速傅利叶变换的基本理论以及与数字信号采样密切相关的均匀抽样定理、频谱混叠现象、窗函数和频谱泄漏等的基本理论来分析调查供电系统的电力谐波污染现状，找出电力系统产生电力谐波的主要原因，电力系统中存在的电力谐波可能给电力系统设备、其它用电设备以及其周围的通讯系统可能带

15、来的危害，并对此提出相应的电力谐波检测方法与治理方案。因此，进行电力系统的谐波检测与分析有着非常大的必要性和意义。 1.2国内外电力谐波研究现状及发展电力系统的谐波由于受非线性、非平稳性、随机性和复杂性等因素影响，对谐波进行准确的测量并非易事。电力系统的谐波问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(ClGRE)、国际供电会议(ClRED)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定了限制电力系统谐波的相关标准。 尽管近十几年来，对电力系统谐波问题的研究取得了很大进展。在学术上还有许多问题需

16、要人们去研究解决、在解决这些问题的同时，才能真正谈其制定合适的法规或标准来限制和管理电力系统的谐波，并对其进行有效的抑制，这些问题可归纳为：如何从器件(如：变压器和其它电磁路件、换流器、特别是各种电力电子器件等)的角度出发去分析和理解谐波产生的原因：如何利用先进的信号分析设备、数字仪器、智能仪表等对谐波的幅值和相位进行准确的测量；如何利用网络分析方法对谐波分布进行分析，如何建立模型和进行数字仿真；如何从谐波角度去衡量电能的质量。通过对这几方面问题的研究，将会导致新技术乃至新的边缘分支学科地诞生。我国自1982年以来对谐波测量的研究从未间断，测量方案从运用傅氏变换到快速傅立叶变换算法，从模拟式发

17、展到电子式、数字式、智能化，其中运用快速傅立叶变换算法最为突出。2002年，我国首次电能质量技术发展国际研讨会在上海浦东新区宝钢大厦召开，大会探讨了我国电能质量管理政策、电能质量测试与分析、电能质量控制技术、谐波对公用电网的危害及治理等问题，为促进、加强我国依法治理公用电网污染源提出了良好的建议。正是由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波污染的日趋严重，谐波问题已在世界范围内得到了广泛的关注。1982年，国际电工委员会第一次制定了通用电器设备产生谐波的限制标准 IEC-55，并且在以后的执行过程中不断地进行了修订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达

18、国家已被强制执行MI。1 993年，美国电气和电子工程师学会在以上标准的基础上进行了修改和补充，制定了IEEE-519谐波限制标准 。另外，国际大电网会议、国际供电会议等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会议，探讨和交流谐波治理的方法和经验。奥地利George JWakileh 2001年出版的(Power Systems Harmonics是国外谐波治理的代表作。我国也将谐波的管理、监测和治理等摆到了十分重要的位置，也先后于1984年和1993年分别制定了限制电力谐波的规定和国家标准 。吴竞昌等人

19、1988年出版的电力系统谐波，夏道止等人1994年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波，王兆安等人1998年出版的谐波抑制和无功功率补偿是我国近年来在谐波治理方面发表的具有较大影响的著作。新的谐波检测方法层出不穷，如Akagi H等学者提出的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，该方法具有较好的实时性，而且既能治理谐波又能补偿无功功率；又如基于傅立叶变换的谐波检测方法，该方法具有检测精度较高、实现简单、功能多和使用方便等诸多优点，因而在频谱分析和谐波检测两个方面均得到了比较广泛的应用。针对现有的各种谐波电流检测方法都存在延时问题，近年来提出了一些新型谐波电流预测方法，如基于加权一阶局域理论

20、的谐波电流预测方法，该方法在t时刻预测出t+2时刻的谐波电流与其理想值的偏差值，通过选择t+1时刻的控制策略，利用加权最小二乘法使得在t+2时刻该偏差值为最小，从而实现了2步预测的无差拍控制。将中心点的空间距离作为一个拟合参数引入预测过程，提高了预测精度和消噪能力，它具有原理简单和实时性好等特点。这些成果的取得无疑促进了有源电力滤波技术的发展，特别是进入80年代以后，由于新型电力半导体开关器件的出现，PWM控制技术的发展，以及新型谐波电流检测方法的提出，有源电力滤波技术(Active Power Filter简称APF)得以迅速发展。国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，1982年第一台实用的

21、有源电力滤波器装置投入实际运行，现已步入实用化阶段。尽管如此，由于APF初期投入大，补偿容量难以做大等原因，使得APF未能普及应用。因此， 目前在理论和应用两方面都存在许多问题，需要进一步研究和解决。近10多年来，对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围，渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评估标准的制定，以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。但由于谐波问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。

22、谐波研究工作概括起来可以划分为4个方面：1)谐波功率理论研究；2)谐波及其危害和影响的分析，制定限制谐波的标准；3)谐波有关的检测问题；4)谐波的补偿和抑制。1.3谐波抑制技术的发展现状为了解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波【12】，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，

23、容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此， 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 (ActivePowerFilter-APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成。

24、80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制控制技术 ()的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1，这种变流器被称为单位功率因数变流器。高功率因数变流器可近似看成为单位功率因数变流器。大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，当然电路结构也越复杂。多重化技术如果能与技术相配合，可

25、取得更为理想的结果。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM整流技术。迄今为止，对PWM逆变器的研究已经很充分，但对整流器的研究则较少。对于电流型PWM整流器，可以直接对各开关器件进行正弦控制，使得输入电流接近正弦波且和电源电压同相位。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波频率很高，因而容易滋除。同时，也得到接近l的功率因数。对于电压型整流器，需要通过电抗器与电源相连。其控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到与电源电压同相位、由负载电流大小决定其幅值的电流指令信号，并据此信号对整流器进行电流跟踪控制，间接电流控制就是控制整流器的入端电压，使

26、其为接近正弦波的波形，并和电源电压保持合适的相位，从而使流过电抗器的输入电流波形为与电源电压同相位的正弦波。整流器配合变流器可构成理想的四象限交流调速用变流器，即双变流器这种变流器，不但输出电压、电流均为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可实现能量的双向传送，代表了这一技术领域的发展方向。小容量整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加斩波的方式。这种电路通常称为功率因数校正电路，己在开关电源中获得了广泛的应用，因为办公和家用电器中使用的开关电源数极其庞大，因此这种方式必将对谐波污染的抑制做出巨大贡献。1.4本文的主要工作1) 了解中低压配电网谐波电流的特点；2) 研究谐

27、波电流检测算法；3) 对谐波电流检测算法实现进行Matlab仿真；4) 对谐波电流检测电路进行原理图设计；5) 对所设计系统进行调试。2电力谐波理论介绍“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪己经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20、30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C、Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大盆论文。70年代

28、以来，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注.国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。2.1电力谐波的基本概念国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波.谐波频率与基波频率的比值（）称为谐波次数.电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰盆，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究

29、谐波的发生、传输、测量、危害及抑制。2.1.1谐波的表示方法谐波可以根据周期性波形，用傅立叶级数分解得到。习惯上，认为电网稳的供电电压波形为工频正弦波形其数学表达式为： （2.1.1）式中一 电压有效值；一 初相角；一 频率； T一 周期。正弦电压施加在线性无源元件如电阻、电感和电容上，其电压和电流分别为比例 ()、微分()和积分()关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波。对于满足狄里赫利条件非正弦电压可分解为如下的傅立叶级数： （2.1.2）其中 或 (2.1.3)式中、和、的关系为在式（2.1.2）或式(2.1.3)的傅立叶级数中，频率为的分量称为基

30、波，频率为的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。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中转成即可。2.1.2谐波的特征量为了表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量有谐波含量、谐波总畸变率和第次谐波的含有率。1 谐波含量所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。谐波电压、电流的谐波含量为： (2.1.4) (2.1.5)2 谐波总畸变率谐波总畸变率可分为电压总畸变率和电流总畸变率，可分别定义为： （2.1.6） （2.1.7）式中：基波电压有效值，一基波电流有效值。3 第次谐波的含有率第次谐波电压含有率以表示。 （2.1.8）

31、式中 第次谐波电压有效值(方均根值)；第次谐波电流含有率以表示。 （2.1.9）式中 第次谐波电压有效值(方均根值) 公用电网的电压总畸变率应该被限制在之内。当电力系统中存在具有非线性的用电设备时，即使给这些设备供给理想的正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在.含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，如各种硅整流装置、晶闸管等，它们遍布于电力系统中，按一定的规律开闭不同的电路，将谐波电流注入系统。另外还有其他会产生谐波的设备，主要是含有铁磁非线性元件的设备，如旋转电机、变压器等。2.2电力谐波产生的原因在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际

32、中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏。因此，谐波含量是电能质量的重要指标之一。在电力系统中的发电，输电、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。2.2.1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，发电源多少会

33、产生一些谐波，但一般来说很少。2.2.2用电设备产生谐波(1) 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、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。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，显然在留下部分中含有大量的谐波。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近，这是最大的谐波源。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。(2) 电弧炉、电石炉由于加

34、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，从而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、，最大可达。(3) 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体放电类电光源。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，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流.(4) 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波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但

35、数量巨大，也是谐波的主要来源之一。2.3电力谐波的危害谐波对供电系统和用电设备危害【24】主要表现有以下几方面：(1) 增加输、供和用电设备的额外附加损耗由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应(当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的“集肤效应”)的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。具体设施：旋转电机、变压器、输电线路、电力电容器。(2) 对测量表计的影响 对电压表的影响研究各

36、种电表在畸变电压波形下的反应，一般从频率特性着手，即观察各种电表在同一有效值但频率不同的正弦波形下的指示变化。畸变波形下电压表的误差与电压表的频率特性之间存在关系。 对电流表的影响电流表的频率特性要比同系电压表的频率特性好得多。由于电流表所加的是电流源，因此电流表的内电感不影响通过电表的电流，所以电流表指示基本上不随频率而改变。 对功率表的影响测量有功功率大都采用电动系或铁磁电动系功率表，它们有较好的频率特性，作为监测使用，一般能满足要求。至于无功功率的测量，对于不对称的三相电路，即使波形是正弦的，三相无功功率表的读数己毫无意义；如果波形畸变，不但三相无功功率的读数无意义，单相无功功率表的读数

37、也不代表任何内容。 对电度表的影响只有相同频率的电压和电流才能构成功率。当输入的电压和电流只有一方含有谐波时，虽然在电路中该次谐波的真实功率是零，单在电度表内，它和输人的纯正弦工频电量因畸变而引起的同频率谐波分量相互作用，仍形成虚假的谐波功率，使电能测量出现随机的或正或负的误差。这种误差虽有可能部分相互抵消，但仍可能存在，致使电能计量失准。(3) 影响继电保护和自动装置的工作及其可靠性对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高.如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则

38、会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动作，严重威胁电力系统的安全运行。(4) 干扰通信系统的工作电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场祸合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度.，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流()换流站换相过程中产生的电磁噪声 ()会干扰电力载波

39、通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。(5) 影响家用电器设备的使用和寿命低压电网上的谐波畸变电压与电视图形之间有一明显的相互关系，会对电视机的图形效果产生影响.数字电路所用逻辑组件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限，如果谐波的干扰超过其容限，就可能会破坏触发器和存储器所保存的信息，排除干扰后，它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹，系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器的系统程序没有遭到破坏，若地址总线受到干扰，也会有程序失控的危险，使系统进人预想不到的状态，甚至陷人意外停机状态。这就是个人计算机对低质全的主供电源十分敏感并要求供

40、电电源总的谐波电压畸变的原因。3电力谐波电流的检测与分析方法谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。对抑制谐波有着重要的指导作用，是进行继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。准确、实时地检测出电网瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究地目标。谐波检测方法按原理可分为：模拟滤波器；基于傅立叶变换的谐波检测法；基于瞬时无功功率理论的谐波检测法；基于神经网络的谐波检测法；基于小波分析的谐波检测法；谐波检测的主要作用有：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量，以确保设备投运后电力系统和设

41、备的安全及经济运行。3.1谐波检测算法及方案确定目前国内外谐波检测与分析方法可分为：1) 采用模拟带通(或带阻)滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法的优点是结构简单，造价低，输出阻抗低，结果易于控制.该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。2) 基于傅立叶变换的谐波检测与分析随着计算

42、机和微电子技术的发展，基于傅立叶变换的谐波检测是当今应用最多也是最广的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此方法测量谐波精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间延时，检测结果实际是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。而且算法中存在频谱泄漏效应

43、和栅栏效应，使计算出的信号频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量精度的要求，必须对算法进行改进，以达到要求值。3) 基于瞬时无功功率的谐波检测与分析1989年，日本学者H.Akagi等人提出瞬时无功功率理论，根据此理论可以得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，将其分解为交流和直流，其交流部分对应于谐波电流，由此可以计算谐波分量。基法、法能够准确测量对称的三相三线制电路谐波值。它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；而在电网电压畸变时，使用此法测量谐波存在较大的误差。由于此理论基于三相三线制电路，必须首先构建三相电路才能进行谐波测量。这两种方法的优点是当电网电压对称且

44、无畸变时，各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单，并且延时少，虽说被测量对象电流中谐波构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期，对于电网中最典型的谐波源三相整流器，其检测的延时约为1/6周期。可见，该方法具有很好的实时性。但硬件多，花费大。针对此方法的缺点，有学者提出一种能适用于任意非正弦、非对称三相电路的基于坐标系下广义瞬时无功功率的新理论的测量方法。该方法较好地解决了前两种方法中存在的问题，但在目前条件下，由于耗费大，采用这种方法相比之下是得不偿失的。4) 利用小波分析方法进行谐波检测与分析小波分析(wavelet Analy

45、sis)作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果，它无论是对数学还是对工程应用都产生了深远的影响，小波分析己经广泛应用于数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。作为一种时频分析理论，小波分析被认为是傅立叶分析发展的新阶段，它来自于傅立叶分析，其存在性的证明依赖于傅立叶分析，因此它不能代替傅立叶分析，但它所具有的优良特性(如方向选择性、可变的时频域分辨率及分析数据量小等)是其它分析方法(傅立叶分析、快速傅立叶变换)无法比拟的。这些良好的分析特性使得小波变换已成为信号处理的一种强有力的新工具。小波分析克服了傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和

46、时域同时具有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显表现出高频、奇异高次谐波的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的特性，将为谐波分析提供可靠依据。通过对含谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流信号的各个尺度的分解结，利用多分辨的概念，将低频段(高尺度)上的结果看作不含谐波的基波分量，基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，该方法计算速度快，能快速跟踪谐波的变化。若将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析，并设计和开发基于小波变换的谐波监测仪将会是非常有意义的工作。5) 基于神经网络的谐波检测与分析神经网络理论是最近发展起来十分热门的交叉边缘

47、学科，它涉及了生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有非常广阔的应用前景，它的发展对未来的科学技术的发展将有重要的影响，神经网络就是采用物理可实现的系统来模仿人脑神经网络的结构和功能系统，它之所以受到人们的普遍关注，是由于它具有本质的非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择，目前已有一些研究成果。提出了基于人工神经网络的电力系统谐波测量方法，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，建立了相应的谐波测量电路，并给出了电路的训练算法和步骤，提出了训练样本的形成方法.结果表明了此方法的有

48、效性.将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，矩阵作为输入，建立相应的测量电路，这种方法的自适应能力较强。谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，求解方法从直观的函数解析过渡到精确的分析和信号处理；谐波检测效果向高精度、高速度和实时性好的方向发展，现有方检测精度高则速度慢，检测速度快则精度低或实时性不好。故必须研究新的谐波特辨识方法和数学方法，以满足高精度测量的要求；谐波检测及量、分析与控制一体化、集成化，使测量系统低成本、高性波检测理论体系并建立新体系，提出新的谐波检测方法。鉴于本人对瞬时无功功率谐波检测方法的了解、几种检测方法的比较、业内主流检测法的形势，决定本设计主要研究瞬时无功功率的

49、谐波检测方法。具体情况如下：3.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测与分析方法为了能在线实时监测和补偿谐波，日本学者H.Akgai等人于1984年提出了基于瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了两种谐波电流的检测方法法和法，它是目前有源滤波器 (ActivePower Fiiter简称)中应用最广的检测谐波电流方法，这两种谐波电流的检测方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量海波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单，并且延时小。缺点是硬件多，花费大，并且该理论是基于三相三线制电路.对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后构造基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波检测电路。

50、近几年，国内外许多学者对瞬时无功功率理论进行了研究和发展，并提出广义瞬时无功功率理论，在此基础上提出基于广义瞬时无功功率理论的谐波检测方法，已初步应用与工程实践。基于广义瞬时无功功率理论与瞬时无功功率理论一样，在解决谐波总量实时检测方面比较方便，而对各次谐波检测则达不到要求。这两种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值。本节首先介绍瞬时无功功率理论，然后对基于该理论的两种谐波检测方法进行了分析。最后将阐述怎样将三相瞬时无功功率理论用到谐波电流的检测中。3.2.1传统的功率理论传统的无功功率的概念是建立在正弦交流电路的基础上的。电路中，电压和电流的瞬时值、的表达式为： (3.2.1) (

51、3.2.2)式中，、电压、电流的有效值；f电压与电流之间的相位差。则瞬时功率为： (3.2.3)从上式可以看出，瞬时功率由两部分组成，即恒定分量和按双倍频率交变的正弦分量，则在某一个周期T内的平均功率为： (3.2.4)为消耗在电阻元件上的平均功率，称为有功功率。记，与电压同相位，称为有功分量。，在一个周期内其平均功率为。，即不消耗能量的功率，其瞬间功率最大值，称为无功功率。记，与电压相位相差90，称为无功分量。当电流和电压均为正弦波时，无功功率是代表负荷和电源之间的能量来回交换的一种量度。换句话说，无功功率是电源与磁场、电源与电场或者磁场与电场之间，按双倍频率进行交换而无能量消耗的电功率，它

52、在交流系统中是必不可少的。3.2.2三相瞬时无功功率理论三相电路瞬时无功功率理论自20世纪80年代提出以来在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础可以得出坐标系下有源滤波器谐波和无功电流的实时检测方法。通过推导可以得出三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为: ipiq=sint -cost-cost -sint ii=Cii (3.2.5) 式中 C=sint -cost-cost -sint i，i为，经过变换后的两相电流： ii=231-12-12032-32iaibic (3.2.

53、6) 3.2.3谐波电流的检测方法基于瞬时无功功率理论的 (或)算法和算法在原理上是一样的。用这两种方法检测谐波和无功时，进行的运算大多都是瞬时值运算，响应速度很快，特别适合于变化快、冲击大的无功和谐波补偿。两者在只检测无功电流时，都可以完全无延时地得出检测结果；检测谐波时，因被检测对象中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但最多不会超过一个电源周期，可见这两种方法具有很好的实时性。与 (或)算法相比，算法借助了构想的正、余弦函数，没有直接使用系统电压信息参与运算，当系统电压波形畸变时，畸变成分在运算过程中不出现，检测结果不受影响，因此本文采用了这种方法。l ipiq检测方法ipiq

54、检测方法是由p-q检测法派生出来的基于瞬时无功功率理论的谐波、无功和负荷序电流检测方法。该检测方法的框图如图3-1所示：图3-1 ip-iq算法原理图 图中，C23=2310-1232-12-32为C32的逆 图中，C=sint-cost-cost-sint （3.2.7）在此方法中，通过一个锁相环(PLL)和一个正、余弦发生电路得到需要用到的与a相电网电压V同相位的单位正弦信号和余弦信号。按照图3-1可以计算出ip、iq ，经低通滤波器滤波得出ip、iq中的直流成分ip、iq。按下式计算出被检测电路电流ia、ib、ic的基波分量: iafibficf=C23C-1ipiq （3. 2. 8）

55、将iaf、ibf、icf与ia、ib、ic相减，即可得出需要检测的谐波电流iah、ibh、ich (当负载电流中含负序电流时)。当需要同时检测无功电流时， 只需要断开图3-1中计算iq的通道即可。由以上分析可知，在ipiq 运算方式中，根据有功无功的定义计算出ip、iq . 滤波得到它们的直流分量然后经过低通滤波器。电源电压无畸变时，可以准确计算出谐波电流。但由于p-q 检测法电源电压要参与运算，如果电网电压畸变，反映检测结果就会出现误差。理想情况下，电网电压波形应为正弦波。但是实际的电网电压波形由于不同的原因会有一定畸变.而且这种畸变在一定限度以内允许存在。据调查目前电网电压的总谐波畸变率平均己达到2%-3%. 在波形畸变严重时，其值更高。而p-q 算法在电网电压有畸