电力系统谐波检测与分析毕业设计论文(编辑修改稿)

电力系统谐波检测与分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 谐波研究工作概括起来可以划分为 4 个方面： 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 4 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。 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 LC 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，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使 LC 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， LC 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 (ActivePowerFilterAPF)。 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。 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 (PWM )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，波形越接近南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 5 正弦波，当然电路结构也越复杂。 多重化技术如果 能与 PWM 技术相配合，可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 PWM 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 PWM 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 PWM 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 PWM 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，使其为接近正弦波的 PWM 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。 PWM 整流器配合 PWM 变流器可构成理想的四象限交流调速用变流器，即双 PWM 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 PWM 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。 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 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南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 6 流器而造成了电压、电流波形的畸变。 1945 年 、 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。 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（ 1ffn n ）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 术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制。 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： )s in (2)(   tUtu （ ） 式中 U 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 ( iRu )、微分 ( dtdiLu )和积分 (  idtCu 1 )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 )( tu 可分解为如下的傅立叶级数 ：   10 )s inc o s()( n nn tnbtnaatu  （ ） 其中    200 )()(21 tdtua    20 )(c o s)(21 tdntua n 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 7    20 )(s in)(21 tdntub n 或   10 )s in ()( n nn tncatu  () 式中 nc 、 n 和 na 、 nb 的关系为 22 nnn bac  )( nnn baarctg nnn ca sin nnn cb cos 在式（ ）或式 ()的傅立叶级数中，频率为 T1 的分量称为基波，频率为 T1 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 )(u t 转成 )(i t 即可。 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 n 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 ：  22n nH UU ()  22n nH II () 2 谐波总畸变率 谐波总畸变率可分为电压总畸变率 uTHD 和电流总畸变率 1TDH ，可分别定义为 ： %1001  UUTH D Hu （ ） %1001  IITHD Hu （ ） 式 中 ： 1U — 基波电压有效值， 1I 一基波电流有效值。 南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 8 3 第 n 次谐波的含有率 第 n 次谐波电压含有率以 nHRU 表示。 %1001  UUH R U nn （ ） 式中 nU — 第 n 次谐波电压有效值 (方均根值 )； 第 n 次谐波电流含有率以 nHRI 表示。 %1001  IIHRI nn （ ） 式中 nI — 第 n 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 %53 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。 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 Hz50 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。 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，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。 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南昌航空大学科技学院 2020 届学士学位论文 9 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%40 ，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 7 次的谐波，平均可达基波的 %8 、 %20 ，最大可达 %45。 (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)。