【正文】 測和抑制的方法和意義。具體內(nèi)容安排如下:在緒論中介紹諧波分析、檢測和抑制的研究背景、意義、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。在第二章中，對電力諧波的基本概念和特征參數(shù)進(jìn)行了闡述，研究了諧波產(chǎn)生的原因和諧波的危害，以及諧波抑制的方法和實際應(yīng)用價值。在第三章中，詳細(xì)闡述了基于傅立葉變換和瞬時無功功率理論的電力系統(tǒng)諧波檢測和分析方法，并給出了相應(yīng)裝置的框圖，通過比較得出一定的結(jié)論。 在第四章中，運用所介紹的理論和方法，采用瞬時無功功率理論的ipiq算法，并借助MATLAB進(jìn)行了仿真模型，并最后給出仿真結(jié)果，驗證了該方法的有效性和結(jié)論的正確性。 2 電力諧波理論介紹“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)己經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。、Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)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(yán)重。，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。 電力諧波的基本概念國際公認(rèn)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(shù)倍”。電力系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，（），稱為非諧波或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實際上是一種干擾盆，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制。 諧波的表示方法諧波可以根據(jù)周期性波形，用傅立葉級數(shù)分解得到。習(xí)慣上，認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)的供電電壓波形為工頻正弦波形其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （）式中一 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 ()、微分()和積分()關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?。對于滿足狄里赫利條件非正弦電壓可分解為如下的傅立葉級數(shù)： （）其中 或 ()式中、和、的關(guān)系為在式(212)或式(213)的傅立葉級數(shù)中，頻率為的分量稱為基波，頻率為的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)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，把式中轉(zhuǎn)成即可。 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： () ()2 諧波總畸變率諧波總畸變率可分為電壓總畸變率和電流總畸變率，可分別定義為： （） （）式中：—基波電壓有效值，一基波電流有效值。3 第次諧波的含有率第次諧波電壓含有率以表示。 （）式中— 第次諧波電壓有效值(方均根值)；第次諧波電流含有率以表示。 （）式中 — 第次諧波電壓有效值(方均根值) 公用電網(wǎng)的電壓總畸變率應(yīng)該被限制在之內(nèi)。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在具有非線性的用電設(shè)備時，即使給這些設(shè)備供給理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，如各種硅整流裝置、晶閘管等，它們遍布于電力系統(tǒng)中，按一定的規(guī)律開閉不同的電路，將諧波電流注入系統(tǒng)。另外還有其他會產(chǎn)生諧波的設(shè)備，主要是含有鐵磁非線性元件的設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)電機、變壓器等。 電力諧波產(chǎn)生的原因在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)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(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)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(shè)備(又稱為非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量變壞。因此，諧波含量是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在電力系統(tǒng)中的發(fā)電，輸電、轉(zhuǎn)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波發(fā)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(fā)電源多少會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。 用電設(shè)備產(chǎn)生諧波1 晶閘管整流設(shè)備由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)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(jīng)統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近，這是最大的諧波源。變頻裝置常用于風(fēng)機、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對電網(wǎng)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(wěn)定，從而引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是7次的諧波，平均可達(dá)基波的、最大可達(dá)。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(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流.4 家用電器電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。 電力諧波的危害諧波對供電系統(tǒng)和用電設(shè)備危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：一、增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時，因集膚效應(yīng)(當(dāng)交變電流流過導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍變化的磁場也要在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使沿導(dǎo)線截面的電流分布不均勻。尤其當(dāng)頻率較高時，此電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的一薄層中流動，這就是所謂的“集膚效應(yīng)”)的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。1 對旋轉(zhuǎn)電機的影響諧波電壓或電流會在電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵心中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大?？偟闹C波損耗可用下式表示： （）式中：為定子第次諧波電流有效值； 為轉(zhuǎn)子第次諧波電流有效值； 為定子基波電流有效值； 為次諧波頻率下考慮集膚效應(yīng)的每相定子電阻； 為次諧波頻率下考慮集膚效應(yīng)的每相轉(zhuǎn)子電阻(折合到定子側(cè))；為電機的功率。為轉(zhuǎn)子諧波銅耗；為諧波鐵耗和諧波雜質(zhì)損耗，另外，諧波電流還會增大電機的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子第次諧波電流與基波旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩可由下式表示： ()式中：為轉(zhuǎn)子基波電勢(折算到定子側(cè))；為定子基波頻率；為電機的極對數(shù)。2 對變壓器的影響變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)（相鄰導(dǎo)線流過高頻電流時，由于磁電作用使電流偏向一邊的特性，稱為“鄰近效應(yīng)”)，在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應(yīng)增加，其附加損耗可用下式表示： （）式中：為通過變壓器的K次諧波電流；為變壓器的短路電阻；為考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)影響系數(shù)。另外3的倍數(shù)次零序電流會在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負(fù)載的變壓器來說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會引起變壓器的磁路飽和，從而會大大增加交流激磁電流的諧波分量。3 對輸電線路的影響由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導(dǎo)致中性線過載供配電線路中的中性線過熱。因為在三相系統(tǒng)中，每個相線對星形接法的中性點電壓間有120度的相位差，當(dāng)每相的負(fù)荷相等時，在中性線上的合成電流為零，雖然基波電流可互相抵消，但諧波電流都是奇數(shù)位，尤其是三次序列(3，9，15次等)的諧波電流在承載不平衡電流的中性線內(nèi)則是益加的。另外，諧波次數(shù)越高，諧波電流就越趨向表面，當(dāng)頻率在以上(亦即7次諧波及以上)時，集膚效應(yīng)將變?yōu)轱@著。其結(jié)果是導(dǎo)線截面內(nèi)流通的電流減少了，而導(dǎo)線外表面的電流密度則增大了，從而使導(dǎo)線的溫度升高。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定的參數(shù)配合條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動，以至損壞設(shè)備，與此同時還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線路，由于電纜的對地電容比架空線路約大倍，而感抗約為架空線路的，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。4 對電力電容器的影響因電容器的容抗，與頻率成反比，因此在高次諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形崎變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在諧振的情況下，很小的諧波電壓就會引起很大的諧波電流，使電容器成倍地過負(fù)荷，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。二、對測量表計的影響 1 對電壓表的影響研究各種電表在畸變電壓波形下的反應(yīng)，一般從頻率特性著手，即觀察各種電表在同一有效值但頻率不同的正弦波形下的指示變化。畸變波形下電壓表的誤差與電壓表的頻率特性之間的關(guān)系可用下式表示： （）式()中：為畸變波形下電壓表的相對誤差；為畸變電壓的總有效值；認(rèn)為各次諧波電壓分量的有效值；為各次諧波頻率下的頻率誤差，取自頻率特性。2 對電流表的影響電流表的頻率特性要比同系電壓表的頻率特性好得多。由于電流表所加的是電流源，因此電流表的內(nèi)電感不影響通過電表的電流，所以電流表指示基本上不隨頻率而改變。3 對功率表的影響測量有功功率大都采用電動系或鐵磁電動系功率表，它們有較好的頻率特性，作為監(jiān)測使用，一般能滿足要求。至于無功功率的測量，對于不對稱的三相電路，即使波形是正弦的，三相無功功率表的讀數(shù)己毫無意義；如果波形畸變，不但三相無功功率的讀數(shù)無意義，單相無功功率表的讀數(shù)也不代表任何內(nèi)容。4 對電度表的影響只有相同頻率的電壓和電流才能構(gòu)成功率。當(dāng)輸入的電壓和電流只有一方含有諧波時，雖然在電路中該次諧波的真實功率是零，單在電度表內(nèi)，它和輸人的純正弦工頻電量因畸變而引起的同頻率諧波分量相互作用，仍形成虛假的諧波功率，使電能測量出現(xiàn)隨機的或正或負(fù)的誤差。這種誤差雖有可能部分相互抵消，但仍可能存在，致使電能計量失準(zhǔn)。三、影響繼電保護(hù)和自動裝盆的工作及其可靠性 對電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置，整定值小、(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負(fù)序源)則會引起發(fā)電機負(fù)序電流保護(hù)誤動(若誤動引起跳閘，則后果嚴(yán)重)、變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動，母線差動保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動作，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。四、干擾通信系統(tǒng)的工作電力線路上流過的11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場禍合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度.，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外高壓直流()換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲 ()會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置動作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。五、影響家用電器設(shè)備的使用和壽命低壓電網(wǎng)上的諧波畸變電壓與電視圖形之間有一明顯的相互關(guān)系，如果諧波的干擾超過其容限，就可能會破壞觸發(fā)器和存儲器所保存的信息，排除干擾后，它仍會在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲器件里留下痕跡，系統(tǒng)也不會再恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。即使含有微處理器的系統(tǒng)程序沒有遭到破壞，若地址總線受到干擾，也會有程序失控的危險，使系統(tǒng)進(jìn)人預(yù)想不到的狀態(tài)，甚至陷人意外停機狀態(tài)。這就是個人計算機對低質(zhì)全的主供電源十分敏感并要求供電電源總的諧波電壓畸變的原因。諧波的熱效應(yīng)對白熾燈的壽命影響很大，其等式為：式中：為燈泡壽命 (以額定壽命為基準(zhǔn)值)；為均方根電壓標(biāo)么值(以額定壽命為基準(zhǔn)值)；為基波電壓的標(biāo)么值(以額定值為基準(zhǔn)值)；，畸變系大，會顯著縮短燈泡壽命：而改變諧波電壓相對來說比改變畸變系數(shù)影響更大。 電力諧波的抑制措施一、加強諧波污染源的