電力系統諧波檢測與分析畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 法在 t 時刻預測出 t+2 時刻的諧波電流與其理想值的偏差值，通過選擇 t+1 時刻的控制策略，利用加權最小二乘法使得在 t+2 時刻該偏差值為最小，從而實現了 2 步預測的無差拍控制。將中心點的空間距離作為一個擬合參數引入預測過程，提高了預測精度和消噪能力，它具有原理簡單和實時性好等特點。這些成果的取得無疑促進了有源電力濾波技術的發展，特別是進入 80 年代以后，由于新型電力半導體開關器件的出現， PWM 控制技術的發展，以及新型諧波電流檢測方法的提出，有源電力濾波技術 (Active Power Filter 簡稱 APF)得以迅速發展。國外有源電力濾波器的研究以日本為代表， 1982 年第一臺實用的有源電力濾波器裝置投入實際運行，現已步入實用化階段。盡管如此，由于 APF 初期投入大， 補償容量難以做大等原因，使得 APF 未能普及應用。因此， 目前在理論和應用兩方面都存在許多問題，需要進一步研究和解決。 近 10 多年來，對電力諧波問題的研究已經大大超過了電力系統自身的研究范圍，滲透到電工理論、非線性系統理論、數字信號處理、電力電子等學科領域，對電力諧波的研究已取得了前所未有的進展，并有了許多重要發展。諧波問題逐漸被認識和了解，對其產生的原因，計算方法的分析，危害與影響的機理，測量與評估標準的制定，以及研究綜合治理措施等方面的探索也在不斷深入。但由于諧波問題復雜，涉及領域寬，目前仍有大量問題需要 解決。諧波研究工作概括起來可以劃分為 4 個方面： 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 4 1)諧波功率理論研究； 2)諧波及其危害和影響的分析，制定限制諧波的標準； 3)諧波有關的檢測問題； 4)諧波的補償和抑制。 諧波抑制技術的發展現狀 為了解決電力電子裝置和其它諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條： 一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波 【 12】 ，這對各種諧波源都是適用的；另一條 是對電力電子裝置進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為 1，這當然只適用于作為主要諧波電力電子裝置。 裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用 LC 調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響，容易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使 LC 濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。盡管如此， LC 濾波器當前仍是補償諧波的最主要手段。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器 (ActivePowerFilterAPF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國獲得廣泛應用。 有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經形成。 80 年代以來，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制控制技術 (PWM )的進步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發展。 對于作為主要諧波源的電力電子裝置來說，除了采用補償裝置對其諧波進行補償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發新型變流器，使其不產生諧波，且功率因數為 1，這種變流器被稱為單位功率因數變流器。高功率因數變流器可近似看成為單位功率因數變流器。 大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術，即將多個方波疊加，以消除次數較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數越多，波形越接近南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 5 正弦波，當然電路結構也越復雜。多重化技術如果 能與 PWM 技術相配合，可取得更為理想的結果。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數整流器主要采用 PWM 整流技術。迄今為止，對 PWM 逆變器的研究已經很充分，但對 PWM 整流器的研究則較少。對于電流型 PWM 整流器，可以直接對各開關器件進行正弦 PWM 控制，使得輸入電流接近正弦波且和電源電壓同相位。這樣，輸入電流中就只含與開關頻率有關的高次諧波，這些諧波頻率很高，因而容易滋除。同時，也得到接近 l 的功率因數。對于電壓 型 PWM 整流器，需要通過電抗器與電源相連。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制就是設法得到與電源電壓同相位、由負載電流大小決定其幅值的電流指令信號，并據此信號對 PWM 整流器進行電流跟蹤控制，間接電流控制就是控制整流器的入端電壓，使其為接近正弦波的 PWM 波形，并和電源電壓保持合適的相位，從而使流過電抗器的輸入電流波形為與電源電壓同相位的正弦波。 PWM 整流器配合 PWM 變流器可構成理想的四象限交流調速用變流器，即雙 PWM 變流器這種變流器，不但輸出電壓、電流均為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數為 1，還可實現能量的雙向傳送，代表了這一技術領域的發展方向。小容量整流器，為了實現低諧波和高功率因數，通常采用二極管加 PWM 斬波的方式。這種電路通常稱為功率因數校正電路，己在開關電源中獲得了廣泛的應用，因為辦公和家用電器中使用的開關電源數極其龐大，因此這種方式必將對諧波污染的抑制做出巨大貢獻。 本文的主要工作 1) 了解中低壓配電網諧波電流的特點； 2) 研究諧波電流檢測算法； 3) 對諧波電流檢測算法實現進行 Matlab 仿真； 4) 對 諧波電流檢測 電路進行原理圖設計； 5) 對所設計系統進行調試。 2 電力諧波理論介紹 “諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數學分析在 18 世紀和 19 世紀己經奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在 20 世紀 30 年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 6 流器而造成了電壓、電流波形的畸變。 1945 年 、 Read 發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。到了 50 年代和 60 年代，由于高壓直流輸電技術的發展，發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大盆論文。 70 年代以來，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分的關注 .國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國 際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。 電力諧波的基本概念 國際公認的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。電力系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波 .諧波頻率與基波頻率的比值（ 1ffn n? ）稱為諧波次數 .電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波或分數諧波。諧波實際上是一種干擾盆，使電網受到“污染”。電工技 術領域主要研究諧波的發生、傳輸、測量、危害及抑制。 諧波的表示方法 諧波可以根據周期性波形，用傅立葉級數分解得到。習慣上，認為電網穩的供電電壓波形為工頻正弦波形其數學表達式為： )s in (2)( ?? ?? tUtu （ ） 式中 U 一 電壓有效值 ； ? 一 初相角； ? 一 頻率； T 一 周期。 正弦電壓施加在線性無源元件如電阻、電感和電容上，其電壓和電流分別為比例 ( iRu? )、微分 ( dtdiLu? )和積分 ( ?? idtCu 1 )關系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變為非正弦波。對于滿足狄里赫利條件非正弦電壓 )( tu? 可分解為如下的傅立葉級數 ： ??? ??? 10 )s inc o s()( n nn tnbtnaatu ??? （ ） 其中 ?? ? ??? 200 )()(21 tdtua ?? ? ???? 20 )(c o s)(21 tdntua n 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 7 ?? ? ???? 20 )(s in)(21 tdntub n 或 ??? ??? 10 )s in ()( n nn tncatu ??? () 式中 nc 、 n? 和 na 、 nb 的關系為 22 nnn bac ?? )( nnn baarctg?? nnn ca ?sin? nnn cb ?cos? 在式（ ）或式 ()的傅立葉級數中，頻率為 T1 的分量稱為基波，頻率為 T1 的整數倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數為諧波頻率和基波頻率的整數比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情況也完全適用，把式中 )(u t? 轉成 )(i t? 即可。 諧波的特征量 為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量有諧波含量、諧波總畸變率和第 n 次諧波的含有率。 1 諧波含量 所謂諧波含 量 ，就是各次諧波的平方和開方。諧波電壓、電流的諧波含 量 為 ： ???? 22n nH UU () ???? 22n nH II () 2 諧波總畸變率 諧波總畸變率可分為電壓總畸變率 uTHD 和電流總畸變率 1TDH ，可分別定義為 ： %1001 ?? UUTH D Hu （ ） %1001 ?? IITHD Hu （ ） 式 中 ： 1U — 基波電壓有效值， 1I 一基波電流有效值。 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 8 3 第 n 次諧波的含有率 第 n 次諧波電壓含有率以 nHRU 表示。 %1001 ?? UUH R U nn （ ） 式中 nU — 第 n 次諧波電壓有效值 (方均根值 )； 第 n 次諧波電流含有率以 nHRI 表示。 %1001 ?? IIHRI nn （ ） 式中 nI — 第 n 次諧波電壓有效值 (方均根值 ) 公用電網的電壓總畸變率應該被限制在 %53? 之內。當電力系統中存在具有非線性的用電設備時，即使給這些設備供給理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在 .含半導體非線性元件的諧波源是電力系統的主要諧波源，如各種硅整流裝置、晶閘管等，它們遍布于電力系統中，按一定的規律開閉不同的電路，將諧波電流注入系統。另外還有其他會產生諧波的設備，主要是含有鐵磁非線性元件的設備，如旋轉電機、變壓器等。 電力諧波產生的原因 在理想的情況下，優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產生諧波。我們所說的供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率 (在我國取工業用電頻率 Hz50 為基波頻率 )整數倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統中，產生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備 (又稱為非線性負荷 )供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞。因此，諧波含量是電能質量的重要指標 之一。在電力系統中的發電，輸電、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。 發電源質量不高產生諧波 發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和 其他一些原因，發電源多少會產生一些諧波，但一般來說很少 。 用電設備產生諧波 (1) 晶閘管整流設備 由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 9 越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近%40 ，這是最大的諧波源。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對 電網造成的諧波也越來越多。 (2) 電弧爐、電石爐 由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，從而引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是 7 次的諧波，平均可達基波的 %8 、 %20 ，最大可達 %45 。 (3) 氣體放電類電光源 熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的 伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流 . (4)