当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

电力系统谐波检测与分析


毕业设计(论文)
题 目: 电力系统谐波检测与分析



别:

信息工程 电子科学与技术 108203135 周天鹏 肖慧荣

专业名称: 班级学号: 学生姓名: 指导教师:

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 指导教师:肖慧荣

班级:1082031

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 harmonics
Student name: Tianpeng-zhou Supervisor: Huirong-xiao Abstract: In recent years, with the rapid development of modern industry, the
application 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 problems, 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 as 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 harmonic 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 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 current 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 conclusions . Key words: Power Systems PROTEL MATLAB simulation Signature of Supervisor: harmonics instantaneous reactive power theory

Class: 1082031

目 录 1 绪论
1.1 谐波检测的研究背景及意义……………………………………………………..1 1.2 国内外电力谐波研究现状及发展………………………………………………..2 1.3 谐波抑制技术的发展现状………………………………………………………..4 1.4 本文的主要工作…………………………………………………………………..5

2 电力谐波理论介绍
2.1 电力谐波的基本概念……………………………………………………………..6 2.1.1 谐波的表示方法 .......................................................................................... 6 2.1.2 谐波的特征量 .............................................................................................. 7 2.2 电力谐波产生的原因……………………………………………………………..8 2.2.1 发电源质量不高产生谐波 .......................................................................... 8 2.2.2 用电设备产生谐波 ...................................................................................... 8 2.3 电力谐波的危害…………………………………………………………………..9

3 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………………………………………………………12 3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测与分析方法………………………………14 3.2.1 传统的功率理论 ........................................................................................ 15 3.2.2 三相瞬时无功功率理论 ............................................................................ 15 3.2.3 谐波电流的检测方法 ................................................................................ 16 3.3 基于

i p ? iq

算法的谐波电流检测方法的实现…………………………….........18

3.3.1 系统硬件电路框图 .................................................................................... 18 3.3.2 具体模块电路图 ........................................................................................ 19

4 仿真
4.1 MATLAB 简介 ...................................................................................................... 26 4.2 仿真模型的建立及仿真结果…………………………………………………....27 4.2.1 ip-iq 检测法仿真........................................................................................ 27 4.2.2 a 相仿真电流波形图.................................................................................. 28

5 结论 ........................................................................................................................... 29 参考文献 ..................................................................................................................... 30 致 谢 ............................................................................................................................. 31

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

1 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、 30 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。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,
1

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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
2

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 J.Wakileh 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 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:

3

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 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 (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。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 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
4

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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。

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
5

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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。

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( n ? f n f1 )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。 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:
u(t ) ? 2U sin(?t ? ? )

(2.1.1)

式中 U 一 电压有效值;

? 一 初相角; ? 一 频率;
( u ? iR )、微分( u ? L 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
di 1 )和积分( u ? ? idt )关系,仍为同频率的正弦波。但当正弦 dt C

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 u(?t ) 可分解为如下的傅立叶级数:
u (?t ) ? a0 ? ? (a n cos n?t ? bn sin n?t ) 1 ? 1 n2? u (?t )d (?t ) 其中 a0 ? 2? ?0 1 2? an ? u (?t ) cos n?d (?t ) 2? ?0 1 2? bn ? u (?t ) sin n?d (?t ) 2? ?0
?

(2.1.2)

6

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

或 u (?t ) ? a0 ? ? cn sin(n?t ? ? n ) 式中 cn 、 ? n 和 an 、 bn 的关系为
c n ? a n ? bn
2 2
n ?1

?

(2.1.3)

? n ? arctg(an bn )
an ? cn sin ? n bn ? cn cos? n
在式(2.1.2)或式(2.1.3)的傅立叶级数中,频率为 1 的分量称为基波, T 频率为 1 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 T 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。 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 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:

UH ? IH ?

?U
n?2 ?

?

2 n

(2.1.4)

?I
n?2

2 n

(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 THDu 和电流总畸变率 TDH1 ,可分别定义为:

THDu ? U H U1 ?100% THDu ? I H I1 ?100%
式中: U 1 —基波电压有效值, I 1 一基波电流有效值。

(2.1.6) (2.1.7)

7

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

3

第 n 次谐波的含有率 第 n 次谐波电压含有率以 HRUn 表示。

HRUn ? U n U1 ?100%
式中 U n — 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 HRI n 表示。

(2.1.8)

HRIn ? I n I1 ?100%
式中

(2.1.9)

I n — 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 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.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 50 Hz 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

8

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 2、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)

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

9

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 ① 对电压表的影响 研究各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。 ② 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。 ③ 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也不代表任何内容。 ④ 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

10

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 ( HVDC )换流站换相过程中产生的 电磁噪声 ( 3 - 10kHz )会干扰电力载波通信的正常工作,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电电源总的谐波电压畸变 < 10% 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备的安全及经济运行。

11

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 p ? q 法、iq ? iq 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

12

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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
dq0 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 Analysis)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

13

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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效性.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。 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 p ? q 法和 i p ? iq 法,它是目前有源滤波器 (ActivePower Fiiter 简称 APF )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。 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。

14

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

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 e 、 i 的表达式为:

e ? 2E sin ?t
i ? 2I sin(?t ? ? ) ? 2I sin ?t cos? ? 2I cos?t sin ? i ? 2I sin(?t - ? ) ? 2I sin ?t cos? ? 2I cos?t sin ?

(3.2.1) (3.2.2)

式中, E 、 I —电压、电流的有效值; ?—电压与电流之间的相位差。 则瞬时功率 p 为:
P ? ei ? 2E sin ?t ? 2I sin(?t ? ? ) ? EI[cos? ? cos(2?t ? ? )] (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 p1 ? EI cos? 和按双倍频率交 变的正弦分量 p2 ? cos(2?t ? ? ) ,则在某一个周期 T 内的平均功率为: 1 T 1 T P ? ? pdt ? ? EI [cos ? ? cos( 2?t ? ? )]dt ? EI cos ? T 0 T 0
p ? EI cos? 为消耗在电阻元件上的平均功率,称为有功功率。

(3.2.4)

记 i p ? 2I sin ?t cos? ,与电压同相位,称为有功分量。 1 T sin ? sin 2?tdt ? 0 ,在一个周期内其平均功率为。 ,即不消耗能量的功率,其 T ?0 瞬间功率最大值 Q ? EI sin ? ,称为无功功率。 记 iq ? ? 2I cos?t sin ? ,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αβ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:
ip iq

=

sin ω t ?cos ω t ? cos ω t ?sin ω t

iα iβ

=C

iα iβ

(3.2.5)

15

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

式中

C=

sin ω t ?cos ω t ? cos ω t ?sin ω t
1 1 2 3 2

iα,iβ 为,经过 αβ 变换后的两相电流:
iα iβ

=

2 3

1 0

?

2 3

? ?

2

ia ib ic

(3.2.6)

3.2.3 谐波电流的检测方法 基于瞬时无功功率理论的 ?? (或 pq )算法和 i p ? iq 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 pq )算法相比, i p ? iq 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。 ? ip—iq 检测方法 ip—iq 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

16

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

1 图中,C23 =
2 3

0
3 2 3

?

1 2 1

为 C32 的逆

? ? 2 2 sin ωt ? cos ωt 图中,C = ? cos ωt ? sin ωt

(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:

iaf ip ibf = C23C ?1 iq icf

(3. 2. 8)

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 ip—iq 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 法在电网电压有畸变的情况下计算的谐波电流与实际的谐波电流是有差别的, 即该条 件下,瞬时无功理论中的各定义量不再有明显的物理意义。因为电网电压有畸变或不 对称时,电压中将含有负序分量和零序分量, 同次谐波的负序、零序电压分量和负 序、零序电流将产生平均有功分量和无功分量, 常规 p-q 算法无法检测出去全部有 害的电流,因此后来出现了改进的 ip-iq 算法,即 ip -iq 检测算法。图 3-1 是 ip-iq'理 论运算方式原理图。由该图可以看出,ip-iq 理论中电源电压不直接参与运算,代之以 与电源电压罔相位的标准正弦信号 sinwt 和与之对应的余弦信号-coswt , 这样,即 使电源电压畸变与否对于计算结果就不产生影响了。

17

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

3.3 基于 i p ? iq 算法的谐波电流检测方法的实现
3.3.1 系统硬件电路框图

图 3-2 硬件电路框图

说明: ? 检测部分采用的是霍尔电流传感器,对系统电流进行采样转换, 检测到的电流信号 送至 TMS320F2812 的 ADC 端口进行 A/D 转换,在插座上插上一块 A/D 采样 板,实现负载电流信号的采集和量化。由 DSP 系统实现三相/两相变换,在变换 中需要 sinωt 和?cosωt,但必须要与 A 相电网电压信号同步。 ? 利用电压互感器对 A 相电网电压进行取样,然后经过过零比较器,得到一个与 电网电压同步的方波信号,作为鉴相器(PD)的一个输入。鉴相器、低通滤波和函 数发生器组成一个锁相环(PLL)电路。当环路锁定时,输出正弦波与电网电压同 步,即同频同相,在时间上应该几乎没有延迟。

18

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

?

在处理分离系统中关键的是低通滤波器,滤波器的参数可通过在 MATLAB 仿真 软件数字信号处理器工具箱计算得出, 滤波后再通过两相/三相变换得到谐波指 令电流,得到负载谐波电流 iah、ibh、ich。

?

DSP:Digital Signal Processor 的简称,即数字信号处理器,它是一种特别适用于数 字信号处理运算的微处理器,其主要运用是实时快速地实现各种数字信号处理算 法。

?

过零比较器:它对谐波分析同步采样起着很重要的作用。它将电压信号变为同频 率的方波信号, DSP 通过捕获方波的上升沿来跟踪电网频率, 为保证同步采样提 供了条件

?

鉴相器:Phasedetector,顾名思义,就是能够鉴别出输入信号的相差的器件,是 使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。它是 PLL,即锁相 环的重要组成部分。 3.3.2 具体模块电路图

系统主要分为:检测取样部分、信号处理部分、分离部分、显示输出部分。结构 如图 3-3 所示: 检测取样 信号处理
图 3-3 系统结构图

分离

显示输出

?

检测取样 如硬件框图所示,对负载电流进行检测采样的是霍尔电流传感器,对电网电压进 行检测采样的是电压互感器。 1)霍尔电流传感器: 霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理,即闭环原理,当原边电流 IP 产生 的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中,霍尔元件固定在气隙中检测磁通,通过绕 在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流 Is,用于抵消原边 IP 产生的磁通,使 得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理,传感器的输出端能够输出精 确反映原边电流的电流变化。

本设计采用检测取样电流的是型号为 JLT263I 交流三相电流传感器,
19

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

参数说明:+:+12V

-:-12V

M:Iout

Rm:300Ω

其实物图如图 3-4 所示:

图 3-4 JLT263I 交流三相电流传感器图

其三相电流检测电路原理图如下图 3-5 所示:

图 3-5 三相电流检测电路图

2)

电压互感器

电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。 当在一次绕组上施加一个电压 U1 时,在铁心中就产生一个磁通φ ,根据电磁感应定 律,则在二次绕组中就产生一个二次电压 U2。改变一次或二次绕组的匝数,可以产 生不同的一次电压与二次电压比,这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高 电压按比例转换成低电压,即 100V,电压互感器一次侧接在一次系统,二次侧接测 量仪表、继电保护等;主要是电磁式的(电容式电压互感器应用广泛) ,另有非电磁 式的,如电子式、光电式。 其电路原理图如下图 3-6 所示:

20

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

图 3-6 电压互感器电路图

?

信号处理 如硬件框图所示,对信号处理的部分主要是过零比较器和鉴相器等组成的 PLL 电 路。 1)过零比较器: 对两个或多个数据项进行比较,以确定它们是否相等,或确定它们之间的大小关

系及排列顺序称为比较。 能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。 过零比较器被用于检测一个输入值是否是零。 原理是利用比较器对两个输入电压 进行比较。两个输入电压一个是参考电压 Vr,一个是待测电压 Vu。一般 Vr 从正相输 入端接入,Vu 从反相输入端接入。根据比较输入电压的结果输出正向或反向饱和电 压。当参考电压已知时就可以得出待测电压的测量结果,参考电压为零时即为过零比 较器。 本设计采用的比较器型号是 LM311P,它能实现正弦波到方波的转换,引脚如下 图 3-7 所示:

图 3-7 LM311P 引脚图

21

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

其电路原理图如下图 3-8 所示:

图 3-8 过零比较器电路图

2)锁相环(PLL)电路: 许多电子设备要正常工作,通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步,利 用锁相环路就可以实现这个目的。 锁相环电路是一种反馈控制电路,简称锁相环

(PLL) 。锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和 相位。 因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通 常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率 相等时,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被 锁住,这就是锁相环名称的由来。

本设计采用的 PLL 电路其核心元件型号是 CD74HC4046,它能实现使输出正弦波 与电网电压同步。其具体参数如下表所示

22

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

表 1 CD74HC4046 引脚

PLL 电路原理图如下图 3-9 所示:

图 3-9 PLL 电路图

?

分离 如硬件框图所示,分离部分由 DSP(TMS320F2812)进行处理。 DSP:Digital Signal Processor 的简称,即数字信号处理器,它是一种特别适用于数 字信号处理运算的微处理器,其主要运用是实时快速地实现各种数字信号处理算 法。[21] DSP 系统模块如下所示: DSP 处理器 TMS320F2812 ,最高工作频率 150MHz; DSP 芯片内置 18K X 16 位 SRAM, 4K X 16 位 BOOT ROM , 1K X 16 位 OPT ROM DSP 芯片内置 128K X 16 位 FLASH; 外扩 32k×16bit 的程序 RAM,32k×16bit 的数据 RAM; 监视用 LED 发光管一个; DSP 所有功能引脚引出,176pin;
23

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

4MB 程序、数据寻址空间; I/O 输入输出模块――8 个 LED; SCI 模块――RS232 通讯接口电路; SPI_DA 模块――4 路 8 位串行 D/A 输出; A/D 转换模块――2 路 12 位 A/D 采样(可扩展到 16 路) ; CAN 模块――CAN 总线收发器; PWM 模块; 本文主要运用到了 A\D 转换模块。 A\D 转换电路: 将检测到的电流信号送至 TMS320F2812 的 ADC 端口进行 A/D 转换,在插座 上插上一块 A/D 采样板,实现负载电流信号的采集和量化。 其电路原理图如下图 3-10 所示:

图 3-10 A\D 转换电路图

?

显示输出 如硬件框图所示,对信号结果进行显示输出的是 LED 显示管。 本文的显示部分采用的是用 PNP 三极管 9012 驱动一个三位共阳极的数码管。由

于共阳极数码管的结构原理是 8 个 LED 灯的阳极是公共的, 由不同的 LED 亮来显示不 同的数字。当有多个 LED 亮时,驱动电流就在多个 LED 上面分流,亮度就会达不到要 求,因此在这里加入了三极管放大驱动,以保证数码管的亮度。同样的在数码管的电 路当中也加入了限流电阻。 数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。实际上是由 7 个发光 管组成 8 字形构成的,加上小数点就是 8 个。我们分别命名为 a、b、c、d、e、f、g、

24

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

dp。要使数码管显示 0—9 这 10 个数字,只要控制其相应的管脚所接发光二极管点亮 便可完成。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多 一个发光二极管单元 (多一个小数点显示) ; 按能显示多少个 “8” 可分为 1 位、 2 位、 4 位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共 阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳 数码管在应用时应将公共极 COM 接到+5V,当某一字段的阴极为低电平时,相应字段 就点亮;当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发 光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公 共极 COM 接到地线 GND 上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点 亮;当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。 其电路原理图如下图 3-11 所示:

图 3-11 LED 显示管电路图

25

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

?

系统硬件电路图

图 3-12 系统硬件电路图

4 仿真 4.1 MATLAB 简介
MATLAB 的名字是由英文 MATrix LABoratory(短阵实验室)两词的前三个字母组 合而成,是 Mathworks 公司推出的一套高效率的数值计算和可视化软件,是目前较为 流行的一种用于科学计算的软件工具,具有良好的开放性和运行的可靠性。 MATLAB 集中了日常数学处理中的各种功能,包括高效的数值计算、矩阵运算、 信号处理和图形生成等功能。在 MATLAB 环境下,用户可以集成地进行程序设计、数 值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。 MATLAB 提供了一个人机交互 的数学系统环境,该系统的基本数据结构是矩阵,在生成矩陈对象时,不要求作明确 的维数说明。 与利用 c 语言或 FoRTRAN 语言作数值计算的程序设计相比, 利用 MATLAB 可以节省大量的编程时间。在美国的一些大学里,MATLAB 正在成为对数值线性代数 以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具。在工程技术界,MATLAB 也被用来解决一些实际课题和数学模型问题。典型的应用包括数值计算、算法预设计 与验证,以及一些特殊的短阵计算应用,如自动控制理论、统计、数字信号处理(时 间序列分拆)等。 MTALAB 系统由五个主要部分组成,下面分别加以介绍。 (1)MATALB 语言体系 MATLAB 是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数 调用、数据结构、输入输出、面向对象等程序语言特性。利用它既可以进行小规模端

26

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

程,完成算法设计和算法实验的基本任务,也可以进行大规模编程,开发复杂的应用 程序。 (2)MATLAB 工作环境 这是对 MATLAB 提供给用户使用的管理功能的总称.包括 管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法,以及开发、调试、管理 M 文件的各 种工具。 (3)图形句相系统 这是 MATLAB 图形系统的基础,包括完成 2D 和 3D 数据图示、 图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层 MATLAB 命令,也包括用户对图形图像 等对象进行特性控制的低层 MATLAB 命令,以及开发 GUI 应用程序的各种工具。 (4)MATLAB 数学函数库这是对 MATLAB 使用的各种数学算法的总称.包括各种初 等函数的算法,也包括矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。 (5)MATLAB 应用程序接口(API) 这是 MATLAB 为用户提供的一个函数库,使得用 户能够在 MATLAB 环境中使用 c 程序或 FORTRAN 程序, 包括从 MATLAB 中调用于程序(动 态链接),读写 MAT 文件的功能。 可以看出 MATLAB 是一个功能十分强大的系统,是 集数值计算、图形管理、程序开发为一体的环境。除此之外,MATLAB 还具有根强的 功能扩展能力,与它的主系统一起,可以配备各种各样的工具箱,以完成一些特定的 任务。用户可以根据自己的工作任务,开发自己的工具箱。 在欧美大学里,诸如应 用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动 态系统仿真等课程的教科书都把 MATLAB 作为内容。

4.2 仿真模型的建立及仿真结果
4.2.1 ip-iq 检测法仿真 在 MATLAB 仿真软件中的 SIMULINK 平台对谐波检测法进行仿真,仿真参数为: 三相电压为有效值 220 V,频率 50 Hz 的正弦对称电压,非线性负载为三相桥式整流负 载,直流侧为 20Ω ,电感 50 mH,整流电路的触发延迟角为 0 度,负载电流中只包 含基波电流和谐波电流。仿真电路检测部分如图 4-1 所示。仿真电流波形结果均以 a 相为例。

27

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

图 4-1 检测电路仿真图

4.2.2 a 相仿真电流波形图

(a) a 相检测电流波形(即 ia)

(b) a 相基波分量电流波形(即 iaf)

(c) a 相谐波电流波形(即 iah)
图 4-2 i p ? iq 检测算法仿真

28

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

其中(a)为检测信号 (b)为用 i p ? iq 算法计算得到的负载基波信号 (c)为 i p ? iq 算法计算得到的谐波信号 由图可知,基于 i p ? iq 算法的谐波检测方法缺点在于跟踪负载动态变化时存在滞 后现象(如图 t:0-0.05 波形) ,但还是能够较好的完成系统谐波的检测。

5 结论
本文在阐述 ip-iq 谐波检测法原理的基础上,搭建了谐波检测的 Simulink 仿真模 型,对非线性负载三相对称电路的谐波检测进行了仿真。在仿真的基础上,确定了整 个硬件系统的总体框图,并且运用 PROTEL 软件设计了电流信号检测电路和锁相环等 硬件电路,搭建了电路系统。经过对检测出的负载电流和谐波电流进行观察,仿真和 实验显示结果均表明 ip-iq 谐波电流检测法可以在一定周期内能够较好的实时的准确 的完成系统谐波的检测,证明了该算法的正确性和可行性。从而为其它谐波研究与分 析提供了理论和实验依据。

29

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

参考文献
[1] 马春艳.《基于瞬时无功功率的谐波检测方法的研究》的论文报告,2009(3) [2] 张志,龚仁喜,韦培.基于《一种基于 MATLAB 的谐波电流检测方法的仿真研究》的论 文报告,2006(12) [3]李圣清,朱英浩,周有庆等.电网谐波检测方法的综述[J].高电压技术,2004,12(3): 39-42 [4]黄舜.配电网中谐波源定位与检测方法研究.北京:华北电力大学出版社,2006 [5]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制功率和无功功率补偿.北京:机械工业出版社,1998 [6] 水利电力部.电力系统谐波管理暂行规定(SD126—84).北京:水利电力出版社,1984 [7] 周雒维.有源电力滤波器谐波电流检测和控制新方法的研究.重庆:重庆大学,2001 [8] 李圣清,朱英浩,周有庆等.基于瞬时无功功率理论的四相输电谐波电流检测方法.中 国电机工程学报,2004,24(3):12-17. [9] 何冰,张峰,潘军.基于瞬时无功功率理论的并联 APF 的 Matlab 仿真研究[J]. 微计算机 信息, 2006,6(6):47-52 [10] 李欣媛,曾国宏.谐波及无功电流检测算法的 Matlab 仿真[J].微计算机信息, 2012, 12(3):32-37 [11] 陶骏, 刘正之.谐波及无功电流检测方法的研究[J]. 电力系统自动化,2001, 7(3): 11-15 [12] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及设备[M].北京:中国电力出版社, 2006 [13] 肖雁鸿, 毛筱, 周靖林, 姜会霞, 彭永进. 电力系统谐波测量方法综述, 电网技术. 2002(6) [14] 林海雪,孙树勤.电力同中的谐波,北京:中国电力出版社,1999 [15] 李圣清,罗飞.《电力系统谐波研究现状及综合治理方法综述》的论文报告,2007(1) [16] 王兆安,李民,卓放.《三相电路瞬时无功功率理论的研究》的论文报告,1992(8) [17] 荆锴, 田立军. 基于 《电力系统谐波检测与治理问题研究》 的硕士学位论文报告, 2008(5) [18] 谢婷婷,张鸿伟.《一种基于瞬时无功功率的电力系统谐波检测改进法》的论文报告, 2009(7) [19] 李成君.《三相谐波电流检测的硬件电路分析》的论文报告,2008(9) [20] 姚俊,马松辉.Simulink 建模与仿真[M].西安:电子科技大学出版社,2002 [21] 万山明.TMS320F281xDSP 原理及应用[M] .北京:北京航空航天大学出版社,2007 [22] 王晓毛,冯垛生.基于 DSP 的谐波和无功电流检测[J].电气传动,2002,3(3):22-27 [23] 吴竞昌,宋文南等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社,1988 [24] 林向华. 电力系统中谐波的危害、 检测与抑制[J]. 温州职业技术学院学报, 2002, 2(2): 28-30 [25] Yu Miao, Zhang Peter Clarke. Distribution Network harmonic source detection method [J]. Power Systems Journal, 2005,2 (17) :36-40

30

南昌航空大学科技学院 2014 届学士学位论文

致 谢
本论文从选题设计到最后定稿,都得到了肖慧荣老师的指导和帮助。在此,我谨 向肖老师致以诚挚的谢意!她严谨的治学态度,平易近人的工作作风和学术上的精神 造诣是我今后学习和生活上的楷模。 在硬件设计期间以及论文撰写阶段, 肖老师不仅在学习和生活上给予我悉心关怀, 而且对我今后的事业发展提出了指导性的建议,并对论文提出了许多宝贵的意见,她 对我的严格要求和不倦教诲必将使我受益终生。在此对她致以诚挚的感谢!同时 对在设计过程中给与我帮助的所有同学表示深深的感谢! 本课题在设计制作及仿真过程中,研究生学长和同学为我提供了必要的 学术建议和意见,在此也表示诚挚感谢! 最后,向参加论文审阅和答辩的专家和老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢。

31


相关文章:
电力系统谐波检测的现状与发展
本文根据电力系统谐波测量的基本方法,对近年来电力系统谐波 检测的新方法进行了分析和评述。最后对电力系统的谐波测量进行了总结并提出了看法。 关键词:谐波测量;傅...
电力系统谐波分析与抑制技术的分析_谐波毕业论文
电力系统谐波分析与抑制技术的分析_谐波毕业论文_工学_高等教育_教育专区。南昌...谐波电流检测方法?在系 统稳定情况下进行了仿真分析,证明了 ip-iq 检测方法能...
电气专业毕业论文-电力系统谐波的检测
电气专业毕业论文-电力系统谐波检测_工学_高等教育_教育专区。研究电力系统谐波...傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采 用。电力系统的谐波问题早在20...
电力系统谐波测量系统论文(毕业设计)-精品
1.4 本文的主要工作本文根据目前电力系统谐波检测与分析方法的实际应用, 对基于傅立叶变换 的谐波测量和基于瞬时无功功率的谐波检测与分析方法进行详细的分析和阐述。...
电力系统谐波研究及其治理
以及抑制电网谐波的主要方式,对现有的基于瞬时无功功 率谐波检测方法进行了改进,...所以,对 电力系统的谐波问题进行计算、 分析和研究, 并进而采取相应的抑制措施...
电力系统的谐波分析与测量
电力系统的谐波分析与测量_电力/水利_工程科技_专业资料。电力系统的谐波分析与测量 摘要:电力系统谐波污染日益严重 ,由于谐波的危害 ,已严重影响 到电力系统的正常...
电力系统中谐波的分析
电力系统谐波分析检测与抑制方法的研究 guanhelin@qq.com - 2 1.2.1 目前国际上对电力谐波的研究现状 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代,...
电力系统谐波检测方法的研究
针对电力系统谐波污染问题,通过对已有的 国内外电力系统谐波检测研究现状的分析、 比较, 本文提出了两种关于电力系统谐波检测方 法。本文首先介绍了电力系统谐波的危害...
电力系统的谐波毕业论文
详细介绍了瞬时基于无功功率理论的几种谐波和无功电流检 测方法:p-q 检测法、...傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采用。 电力系统谐波问题早在 20 ...
【最新版】电力系统谐波的检测毕业论文设计
【最新版】电力系统谐波检测毕业论文设计_工学_高等教育_教育专区。毕业设计,...7 第2章 电力系统谐波分析 ... 8 2.1 谐波的基本概念 ......
更多相关标签: