电力系统谐波检测与治理问题的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

电力系统谐波检测与治理问题的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

代和 30 年代就引起人们的关注。 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 发 表的有关 变流器谐波的论文是早期关于谐波研究的经典论文 [1]。 70年代以来，由于电子技术的飞速 发展，各种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，谐波所造成的危害日益严重。 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．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。 在国际上，许多国家都先后对电两中的电压畸变，各次谐波电压、谐波电流的数值、测量方法及非线性负荷的管理等制定了相应规定来加以严格限制。 我国过去对电网中的谐波问题未加重视和研究。 但是近年来由于电气化铁路的大量出现，以及可控硅整流装置的广泛应用，不少电网中的高次谐波含量的数值已大大超过了国际上公认的标准。 据我国电力科学院系统研究所对西南、西 北、华中、华北等地区重点电网测试的结果来看，我国电网的谐波污染已 很严重。 为了更好的采取措施对 电网谐波含量加以限制，必须具有相应的监测手段。 为此，除了引进发达国家研制的谐波监测仪器外，还应当研究符合我国电网现状的谐波分析方案，以提高电网谐波监测分析水平，这对于抑制高次谐波含量是十分必要和有价值的。 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 7 国内外电力谐波检测与分析方法研究现状 谐波检测方法是谐波检测的核心环节，也是各文献着重论述和相互区别所在。 谐波测量一般包括三个步骤：信号预处理；谐波幅值和相位测量；结果再处理。 其中信号预处理和结果再处理是辅助算法，为谐波测量服务，以优化测量性能，达到实际应用的目的。 谐波测量方法虽然在算法设计和现实中 占据主导地位，但辅助算法在很大程度上决定了其能否预期执行和装置的可靠性，故不能忽视对它的设计。 实践表明，获得一个时滞性小，去噪声能力强，同时为后续分析提供高精度谐波特征的辅助算法并不容易．辅助算法的选择主要取决于以下因素：实际输入信号的动态特性与所要求的理想信号符合程度；数据处理性能；给定的时间响应和精度要求；软硬件实现约束条件。 目前国内外谐波检测与分析方法可分为 [2] (1) 采用模拟带通滤波器测量谐波 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江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 8 和无功电流，实时性不好。 而且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，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) 小 波变换检测法 对谐波电流进行动态抑制时，不必分解出各次谐波分量．只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间问题，傅里叶变换就无能为力。 小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性。 因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。 (4) 基于神经网络的谐波检测与分析法 神经网络理论是最近发展起来十分热门的交叉边缘学科，它涉及生物、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，目前己有一些研究成果。 文献 [3]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。 仿真结果表明了此方法的有效性。 文 献 [4]将 神经网络理论和自适应对消噪声技术相结 合， ADLINE 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。 (5) 自适应检测法 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入。 负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。 该方法的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力。 缺点是动态响应速度较慢。 (6) 瞬时空间向量法 江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 9 利用瞬时无功功率理论。 即“州 ”理论，对电力谐波量进行测量。 即将基波分量与总电流相减得到相应的谐波电流，但是此方法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。 所以．此方法只适用于三相电压正舷、对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。 电力谐波检测与分析方法的发展趋势 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。 现有方法中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性辨识 方法和数学方法，以满足高精度测量的要求；谐波检测及分析与控制目标相结合，测量、分析与控制一体化、集成化，使测量系统低成本、高性能和多功能化；完善现有谐波检测理论体系并建立新体系，提出新的谐波检测方法 [2]。 谐波抑制技术的发展现状 国外抑制技术研究现状 目前，谐波研究仍是一个非 常活跃的领域。 发达国 家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅猛增加。 针对谐波的大量出现， 目 前 国 外已经研制成功各种谐波测量分析仪，知德国产的 谐波分析仪、美国 产 F40/41 手持式谐波分析仪和英国 产 PA 系列高精度电力谐波分析仪 等 [5]。 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数 为 1。 单 使功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子 装置。 由于谐波源的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。 (1) 光源 滤波装置。 传统无源滤波通过使 用 RLC 无 源元件的串并联方式构成无源的单调谐、高遥或低通等滤波器，均 达到滤除谐波的目的 ，这种谐波抑制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用。 由于它具有成本低、技术成熟、结 构简单、容易实现等优点，所以它仍然是目前广泛使用的谐波抑制技术。 但它也有江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 10 其一些不足之 处 [6,7,8]， 主要表 现为： 由于系统中的电源和 线路都存在阻抗，所以会影响补偿特性： 单 调谐无源滤波器仅在其调谐点及附近具有较好的滤波效果，偏离调谐点后，滤波效果将明显变差。 (2) 有 源滤波装爱。 随着 20 世纪 60 年 代以来新型电力半导体器件的如现，脉宽 调制 (PWM)技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论地提出，针对无源滤波器的缺陷， 在 1969 年 Bird 和 Marsh 等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐 波成分，这是 (Active Power Filter)APF 思 想的萌芽 [9]。 之后，在 1976 年 Gyugyi L 等人提出了用大功率晶 体管 PWM 变 换器构成有源滤波器，并正式提出了有源滤波的概念。 20 世纪 80 年代由于大功率全控型功率器件的 成熟， PWM 技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时监测 方法 的提出，使 APF 得以迅猛发 展。 APF 通 过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有响应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。 因 此APF 逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并开始得到迅速的发展。 但由于全控型功率器件的成本及性能， 制约了 APF 的 实际应用，目前只有在日本得到比较广泛的推 广 [1014]。 APF 一 般分为并联型、串联型和混合型三种。 从补偿的角 度来看， APF 可以分为无功补偿、谐波补偿、平衡三相系统电压或电流以及多重补偿。 常规的 并联型 APF 可 以同时补偿谐波电流和无功，属于多重补偿。 混 合 APF 只 能补偿谐波电流，属于 谐波补偿 [1520]。 电力系统的谐波及抑制研究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 (OEC)、 国际大电网会 议 (CIGRE)、 国际供电 会议 (CIRED)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，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。 并且从 1984年 开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会 议 (ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工 作深入开展 [15]。 国内抑制技术研究现状 我国在 APF 方面的研究仍处于起步阶段，到 1989 年才有这方面文章。 研究江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 11 APF 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。 研究最成熟的是并联型，而且主要以理论研究和试验研究为主。 理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等 [2127]。 1991 年北方交通大学王良博士研制出 3KVA 的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于 380V 三相系统的 33KVA 双极面结型晶体管 (BJT)电压型有源滤波器； 采用多重 化技术，西安交通大学研制出 120KVA并联型有源滤波器的试验样机。 此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对 APF 展开了深入的理论和实验研 究。 我国虽然在理论上取得了一定的进 展，由于多方面条件的限制，我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。 因此我国有源滤波技术具有广泛的发 展和应用前景 [2830]。 从近年的研究和应用中我们可以看出 APF 具有如 下的发展趋势 [31,32] (1) 通过采用 PWM 调制技 术和提高开关器 件等效开关频率的多重 化技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统大容量的实现。 (2) 从经济上考虑，可以采用 APF 与 PF 组 成的混合型滤波系统 ，以减少 APF的 容 量，达到降低成本、提高效率的目的。 (3) 从长远角度 看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失 ，而串并联 APF 由于 其功能强大、性价比高，将是很有发展前途的有源滤波装置。 本文主要的研究工作 对电能质量的要求已经越来越引起人们注意，谐波及其抑制的重要性和谐波治理刻不容缓。 在电力系统中，应用有源滤波器对系统进行谐波抑制是目前研究的重要课题之一，并联型有源滤波器可以有效的对负载谐波进行补偿。 本文主要的工作如下： (1) 在绪论 中介绍谐波分析、检测和抑制的研究背景、意义、现状 和发展趋势。 (2) 在 第二章中，对电力谐波的基本概念和特征参数进行了阐述，研究了谐江 苏 大 学 学 士 学 位 论 文 12 波产生的原因和谐波的 危害。 (3) 对谐波检测中重要的低通滤波环节，研究低通滤波器的选取和参数设置对其工作性能的影响，并且利用仿真辅助分析。 (4) 在 分 析各种 PWM 控 制方法 的基础上，对 pq 法、 pqii 检测法 方法及 滞环比较和三角波比较两种跟踪控制电路 进行分析说明。 (5) 结合前面所研究的谐波检测。