【正文】 14 傳統(tǒng)的功率理論 ........................................................................................ 15 三相瞬時無功功率理論 ............................................................................ 15 諧波電流的檢測方法 ................................................................................ 16 基于 qp ii ? 算法的諧波電流檢測方法的實現(xiàn) ……………………………......... 18 系統(tǒng)硬件電路框圖 .................................................................................... 19 具體模塊電路圖 ........................................................................................ 20 4 仿真 MATLAB 簡介 ...................................................................................................... 27 仿真模型的建立及仿真結(jié)果 ………………………………………………….... 28 ipiq 檢測法仿真 ........................................................................................ 28 a 相仿真電流 波形圖 .................................................................................. 29 5 結(jié)論 ........................................................................................................................... 30 參考文獻 ..................................................................................................................... 31 致 謝 ............................................................................................................................. 32 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 1 1 緒論 諧波檢測的研究背景及意義 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，使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。 諧波的研究具有重要意義，首先是諧波的危害十分嚴(yán)重。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲也日益高漲。同時也由于大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來了額外負(fù)擔(dān)。隨著各類的非線性負(fù)荷的大量使用，電力系統(tǒng)諧波問題變的越來越嚴(yán)重，已 經(jīng)威脅到了電力系統(tǒng)的安全運行和經(jīng)濟運行。電力系統(tǒng)的諧波問題近幾十年來在世界范圍內(nèi)得到了十分廣泛的關(guān)注，國際電工委員會 (IEC)、國際大電網(wǎng)會議 (ClGRE)、國際供電會議 (ClRED)及美國電氣和電子工程師學(xué)會 (IEEE)等國際性學(xué)術(shù)組織，都相繼成立了專門的電力系統(tǒng)諧波工作組，并已制定了限制電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 我國自 1982 年以來對諧波測量的研究從未間斷，測 量方案從運用傅氏變換到快速傅立葉變換算法，從模擬式發(fā)展到電子式、數(shù)字式、智能化，其中運用快速傅立葉變換算法最為突出。 1 993 年，美國電氣和電子工程師學(xué)會在以上標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行了修改和補充，制定了 IEEE519 諧波限制標(biāo)準(zhǔn) 。我國也將諧波的管理、監(jiān)測和治理等擺到了十分重要的位置，也先后于1984年和 1993年分別制定了限制電力諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn) 。將中心點的空間距離作為一個擬合參數(shù)引入預(yù)測過程，提高了預(yù)測精度和消噪能力，它具有原理簡單和實時性好等特點。因此， 目前在理論和應(yīng)用兩方面都存在許多問題，需要進一步研究和解決。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(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)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(biāo)準(zhǔn)； 3)諧波有關(guān)的檢測問題； 4)諧波的補償和抑制。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使 LC 濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。 80 年代以來，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù) (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(fā)展。重數(shù)越多，波形越接近南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 5 正弦波，當(dāng)然電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。對于電流型 PWM 整流器，可以直接對各開關(guān)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。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。這種電路通常稱為功率因數(shù)校正電路，己在開關(guān)電源中獲得了廣泛的應(yīng)用，因為辦公和家用電器中使用的開關(guān)電源數(shù)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。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。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。電力系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(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，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(shù) .電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波或分?jǐn)?shù)諧波。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。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(zhuǎn)成 )(i t? 即可。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)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。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。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。 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 。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。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。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)體對諧波南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 10 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。 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。 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。 (4) 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。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 10% 的原因。諧波檢測方法按原理可分為：模擬濾波器；基于傅立葉變換的諧波檢測法；基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法；基于小波分析的諧波檢測法；諧波檢測的主要作用有：鑒定實際電力系統(tǒng)及諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，包括對所有諧波源用戶的設(shè)備投運時的測量，以確保設(shè)備投運后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟運行。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含較多的基波分量，大大增加了有源補償器的容量和運行損耗。使用此方法測量諧波精度較高，功能較多，使用方便?；?qp? 法、 qq ii? 法能夠準(zhǔn)確測量對稱的三相三線制電路諧波值。可見，該方法具有很好的實時性。 4) 利用小波分析方法進行諧波檢測與分析 小波分析 (wavelet Analysis)作為一種新興的理論是數(shù)學(xué)發(fā)展史上的重要成果，它無論是對數(shù)學(xué)還是對工程應(yīng)用都產(chǎn)生了 深遠的影響，小波分析己經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、信號處理、語音識別與合成、自動控制、圖象處理與分析等領(lǐng)域。利用小波變換能將電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波變換投影到不同的尺度上會明顯表現(xiàn)出高頻、奇異高次諧波的特性，特別是小波包具有將頻率空間進一步細(xì)分的特性，將為諧波分析提供可靠依據(jù)。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波測量，主要涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、樣本的確定和算法的選擇，目前已有一些研究成果。 鑒于本人對瞬時無功功率諧波檢測方法的了解、幾種檢測方法的比較、業(yè)內(nèi)主流檢測法的形勢，決定本設(shè)計主要研究瞬時無功功率的諧波檢測方法?；趶V義瞬時無功功率理論與瞬時無功功率理論一樣，在解決諧波總量實時檢測方面比較方便，而對各次諧波檢測則達不到要求。 傳統(tǒng)的功率理論 傳統(tǒng)的無功功率的概念是建立在正弦交流電路的基礎(chǔ)上的。 ? ?T tdtT 0 02s ins in1 ?? ，在一個周期內(nèi)其平均功率為。換句話說，無功功率是電源與磁場、電源與電場或者磁場與電場之間，按雙倍頻率進行交換而無能量消耗的電功率，它在交流系統(tǒng)中是必不可少的。通過推導(dǎo)可以得出三相 電路瞬時有功電流 ip 和瞬時無功電流 iq 分別為 : 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 16 () 式中 () 諧波電流的檢測方法 基于瞬時無功功率理論的 ?? (或 pq )算法和 qp ii ? 算法在原理上是一樣的。 ?ip—iq 檢測方法 ip—iq 檢測方法是由 pq 檢測法派生出來的基于瞬時無功功率理論的諧波、無功和負(fù)荷序電流檢測方法。 當(dāng)需要同 時檢測 無功 電 流 時 ， 只需要斷 開圖 31 中 計 算 iq的通道即可 。 理想情況下， 電 網(wǎng) 電壓 波形 應(yīng)為 正弦波 。 因 為電 網(wǎng) 電壓 有畸 變 或不對 稱 時 ， 電壓 中將含有 負(fù) 序分量和零序分量， 同次 諧 波的 負(fù) 序 、 零序 電壓 分量和 負(fù)序 、 零序 電 流將 產(chǎn) 生平均有功分量和無功分 量 ， 常 規(guī) pq 算 法無法 檢測 出去全部有害的 電 流，因此后來出 現(xiàn) 了改 進的 ipiq 算法，即 ip iq 檢測 算法。 基于 qp ii ? 算法的諧波電流檢測方法的實現(xiàn) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 19 系統(tǒng)硬件電路框圖 圖 32硬件電路框圖 說明： ? 檢測部分采用的是霍爾電流傳感器 ,對系統(tǒng)電流進行采樣轉(zhuǎn)換 ， 檢測到的電流信號送至 TMS320F2812 的 ADC 端口進行 A/D 轉(zhuǎn)換，在插座上插上一塊 A/D 采樣板，實現(xiàn)負(fù)載電流信號的采集和量化。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同步，即同頻同相，在時間上應(yīng)該幾乎沒有延遲。它將電壓信號變?yōu)橥l率的方波信號， DSP 通過捕獲方波的上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率，為保證同步采樣提供了條件 ? 鑒相器 ： Phasedetector，顧名思義，就是能夠鑒別出輸入信號的相差的器件，是使輸出電壓與兩個輸入信號之間的相位差有確定關(guān)系的電路。 1） 霍爾電流傳感器： 霍爾電流傳感器基于磁平衡式霍爾原理，即閉環(huán)原理，當(dāng)原邊電流 IP 產(chǎn)生的磁通通過高品質(zhì)磁芯集中在磁路中，霍爾元件固定在氣隙中檢測磁通，通過繞在磁芯上的多匝線圈輸出反向的補償電流 Is，用于抵消原邊 IP 產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。當(dāng)在一次繞組上施加一個電壓 U1 時，在鐵心中就產(chǎn)生一