企业电网谐波电流检测系统的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)

企业电网谐波电流检测系统的分析与设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

在3～5％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．为了提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和谐波的总畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。 谐波造成电网的污染，正弦电压波形的畸变，使得电力系统的供用电设备出现了许多异常的现象和故障，谐波的污染日趋严重。 产生谐波的原因有很多，随着人们对谐波的研究越来越深奥，也越来越多的发现，对于谐波给我们带来的危害我们要给予有效的抑制。 谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变。 产生谐波的主要原因有两方面：一方面是来自用户的非线性负荷；另一方面是来自系统的影响。 首先来自用户的非线性负荷可以解释为，非线性用电设备是产生谐波的主要原因，由于非线性设备产生的谐波电流通过系统网络注入到系统电源中，发生畸变的电流流经系统阻抗时使母线电压发生畸变，使电能质量受到污染。 然后在来自系统的影响中：一是，系统中的交流发电机的定子和转子间存在着气隙，由于受到铁芯齿、槽或工艺的影响，分布不均匀，虽然说各相电势的波形是对称的，但是三相电势中也会含有一定数量奇次谐波。 二是，系统电网中含有大量变压器的励磁电流都含有奇次谐波的成分，当变压器空载或过励磁的状态时会更为严重，并构成了主要的稳定性谐波源；三是，当电网中投入空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。 电网中作用在同一线路上的不同频率的正弦电势，使得电路中的电流成为各个不同频率电流分量的叠加值，这样就形成了谐波电流。 (1) 影响线路的稳定运行 由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随频率的升高而增加。 在集肤效应的作用下，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，使导体发热，破坏绝缘，严重会造成短路，甚至会引起火灾。 另外，由于输电线路存在分布的线路电感和对地电容及无功电容等电感和电容，当它们与系统母线侧组成串联回路或并联回路时，可能会发生串联谐振或并联谐振，从而导致在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，因此而造成恶性事故。 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般都采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器对其进行检测保护。 谐波会使电磁式继电器、感应式继电器和晶体管继电器误动或拒动，这样严重威胁了供配电系统的稳定及安全运行。 (2) 影响电网的质量 电网中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。 而且同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压。 在民用配电系统中的中性线，如计算机等一类负载，会产生大量的奇次谐波；在三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波会在中性线上叠加，这样中性线上的电流值可能就超过相线上的电流。 电力设备主要包括电力电容器、电力变压器和电力电缆，谐波对它们的危害也很大。 当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流会增加得更大，电容器损耗功率也会增加，会导致电容器异常发热，在电场和温度的作用下使得绝缘介质加速老化，影响电容器的使用寿命，严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。 同时谐波还可能与电容器一起在电网中形成电力谐波谐振，使电网的谐波加剧，出现谐波被扩大的现象，危害更大。 同时，由于谐波电压的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，由于谐波电流的存在还增加了铜损，也会大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量,因此减少变压器的实际使用容量。 与此同时，谐波使变压器噪声增大，甚至会出现金属声。 同时谐波对电力测量影响也较大。 在目前，采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大，尤其是电能表，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和将谐波电压控制在允许的范围内，为了保证供电质量。 世界许多国家都发布了限制电网谐波的标准，或者由权威机构制定限制谐波的规定。 各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。 很多国家对谐波制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波畸变率的大致范围为：低压电网(1kV),一般5%,个别3%、7%； 中压电网(24~77kV),一般2%~5%,个别6%； 高压电网(84kV及以上)，一般1%~%，个别2%~5%。 下表（212）是公用电网谐波电流（相电流）限值:表212电网中谐波电流的限制电网标准电压（kv）电流总谐波畸变率 （%）各次谐波电压总含有率（%）畸次偶次 110本章对电网谐波的基本概念、数学表达式、谐波来源及危害进行了讨论，研究了电网谐波产生的原因。 还对衡量谐波的主要指标做了分析，为了更理解谐波对谐波的相关问题进行细致的分析。 为进行电网谐波的分析及检测和抑制奠定了基础，进一步引出谐波电流检测的分析。 第三章 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法谐波检测是谐波抑制中的关键技术, 目前工业上广泛采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。 本章首先介绍了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测。 电网电压或电流中含有谐波或不对称分量时功率现象比较复杂，传统功率理论很难做出正确的解释。 1983年由赤木泰文（Akagi）提出了三相瞬时无功功率理论，此后该理论不断被研究并逐渐完善[10]。 该理论是将三相电路的各相电压和电流的瞬时值、和、变换到、两相正交的坐标系上进行研究 （31） （32）式子：由下面的平面的电压、电流矢量关系可以进一步研究： EMBED 图31 坐标系中电压、电流矢量定义三相电路瞬时有功功率、瞬时无功功率，由坐标系矢量图得到： （33） （34）将其写成矩阵的形式： （35）式子：在电流检测中的空间矢量法主要有涉及到有Clark变换与Park变换[11]，下面我们针对它们之间的变换关系进行分析。 如图321所示，取轴和轴重合，在同一平面上绘制和两个坐标系。 设三相绕组每相有效匝数为，两相绕组每相有效匝数为，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于相关相的坐标轴上。 由于交流磁动势的大小随时间在变化着，下图中磁动势矢量的长度是任意的。 O图32 变换空间矢量图设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两绕组瞬时磁动势在α、β轴上的投影都应该相等，由此可得 （36）式中，为三相坐标变换到两相坐标系的系数。 考虑到变换前后总功率不变，在这个前提下，可以证明得到，匝数比应为。 如果要从坐标系变换到坐标系，则需要一个条件，就是无中线或无零序电流时三相电流关系。 根据图321及三相电路关系可得： （37） 关于变换，早在1923年布隆代尔便提出分析交流电机耦合振荡的双反应方法，1929年帕克在此基础上提出坐标系统表示同步电机基本方程，变换即为著名的Park变换。 为静止坐标系，为旋转坐标系，当旋转坐标系中的旋转角度为零时，则，旋转坐标系就变为静止的坐标系了，即变换是变换当（=0）时的特例。 如图322所示，两相交流电流、和两个直流电流、产生相同的以同步转速旋转的合成磁动势。 由于各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示则可以标成。 图33 、和坐标系空间矢量 、轴和矢量都以转速旋转，分量、的长短不变，相当于、绕组的直流磁动势。 但是、轴是静止的，轴与轴的夹角随时间而变化，因此在、轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。 由图可见，、和、之间存在以下的关系： （38）当存在零序电流时，所以可得到系变换到系的变换式为： （39） 谐波检测是谐波问题的重要分支，下面我们将对检测的方法进行分析比较：（1）模拟滤波器 采用模拟滤波器的优点是原理和实现电路简单、造价低、输出阻抗低和品质因数易于控制，且能滤除一些固有频率的谐波。 模拟滤波器是早期的一种谐波检测方法。 下图321为模拟并行滤波式谐波检测装置框图。 图中输入信号经放大后被送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率是固定不变化的，为，…，（是工频的整数倍）。 图34 模拟滤波器该方法的缺点：实现电路的滤波中心频率（，…，）对元件的参数很敏感，且受外界环境的影响很大，所以很难获得理想的幅频特性和相频特性；检测的谐波中含有较多的基波分量使得检测精度较低；当需要检测多次谐波时，电路变得复杂，设计起来很大难度；这种方法存在很大的不足，现如今已很少采用这种检测方法。 （2）基于傅立叶变换的谐波检测与分析方法 又叫做频率分析方法，该方法检测精度高、实现简单、功能多而且实用很方便，在谐波检测方面的应用最多也最广泛的一种方法。 这种方法是由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本理论构成的。 但是这种方法也有缺点，实际采样不是同步的，从而造成了频谱泄漏误差较大，导致测量误差很大，要考虑使频谱泄漏减小的方法。 随着电力系统谐波检测要求的提高及新的谐波检测方法日益成熟，该方法已经不是很广泛的被应用了。 （3）基于神经网络的谐波检测方法 该方法的应用优点可以说是学习起来简单，可以自学，可以不用计算补偿电流的，避免了。