【正文】 本設(shè)計(jì)采用的 PLL 電路其核心元件型號(hào)是 CD74HC4046，它能實(shí)現(xiàn)使 輸出正弦波與電網(wǎng)電壓同 步。一般 Vr 從正相輸入端接入， Vu 從反相輸入端接入。改變一次或二次繞組的匝數(shù)，可以產(chǎn)生不同的一次電壓與二次電壓比，這就可組成不同比的電壓互感器。它是 PLL，即鎖相環(huán)的重要組成部分。由 DSP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三相 /兩相變換，在變換中需要 sinω t 和 ?cosω t，但必須要與 A 相電網(wǎng)電壓信號(hào)同步。 但是 實(shí) 際 的 電 網(wǎng) 電壓 波形由于 不同的原因會(huì) 有 一 定 畸 變 .而 且 這種 畸 變 在一 定 限度以內(nèi)允許 存在。 該檢測(cè)方法的框圖如圖 31 所示： 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 31 ipiq算法原理圖 （ ） 在此方法中，通 過 一個(gè) 鎖 相 環(huán) (PLL)和一個(gè)正、余弦 發(fā) 生 電 路得到需要用到的與 a相 電 網(wǎng) 電壓 V 同相位的 單 位正弦信號(hào)和余弦信號(hào) 。 三相瞬時(shí)無功功率理論 三相電路瞬時(shí)無功功率理論自 20世紀(jì) 80年代提出以來在許多方面得到了成功的應(yīng)用。電路中，電壓和電流的瞬時(shí)值 e 、 i 的表達(dá)式為： tEe ?sin2? () ?????? s i nc o s2c o ss i n2)s i n (2 tItItIi ???? () ?????? s i nc o s2c o ss i n2)ts i n (2 tItIIi ??? 式中， E 、 I — 電壓、電流的有效值 ； ?— 電壓與電流之間的相位差。具體 情況如下： 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)與分析方法 為了能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償諧波，日本學(xué)者 等人于 1984 年提出了基于瞬時(shí)無功功率理論，并在此基礎(chǔ)上提出了兩種諧波電流的檢測(cè)方法 qp? 法和 qp ii ?法，它是目前有源濾波器 (ActivePower Fiiter 簡(jiǎn)稱 APF )中應(yīng)用最廣的檢測(cè)諧波電流方法，這兩種諧波電流的檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變時(shí)，各電流分量海波正序無功分 量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量 )的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小。通過對(duì)含諧波的電流信號(hào)進(jìn)行正交小波分解，分析了電流信號(hào)的各個(gè)尺度的分解結(jié)，利用多分辨的概念，將低頻段 (高尺度 )上的結(jié)果看作不含諧波的基波分量，基于這種算法，可以利用軟件構(gòu)成諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)，該方法計(jì)算速度快，能快速跟蹤諧波的變化。但硬件多，花費(fèi)大。其缺點(diǎn)是需要一定時(shí)間的電流值，且需進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大，需花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間，從而使得檢測(cè)方法具 有較長(zhǎng)時(shí)間延時(shí)，檢測(cè)結(jié)果實(shí)際是較長(zhǎng)時(shí)間前的諧波和無功電流，實(shí)時(shí)性不好。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 12 諧波檢測(cè)算法及方案確定 目前國(guó)內(nèi)外諧波檢測(cè)與分析方法可分為 ： 1) 采用模擬帶通 (或帶阻 )濾波器測(cè)量諧波 最早的諧 波測(cè)量是采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)。另外高壓直流 (HVDC )換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲 ( 10kHz3 )會(huì)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(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。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。在洗衣機(jī)、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。 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(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 9 越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。 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。 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。諧波實(shí)際上是一種干擾盆，使電網(wǎng)受到“污染”。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。直接電流控制就是設(shè)法得到與電源電壓同相位、由負(fù)載電流大小決定其幅值的電流指令信號(hào)，并據(jù)此信號(hào)對(duì) PWM 整流器進(jìn)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。多重化技術(shù)如果 能與 PWM 技術(shù)相配合，可取得更為理想的結(jié)果。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。 諧波抑制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波 【 12】 ，這對(duì)各種諧波源都是適用的；另一條 是對(duì)電力電子裝置進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為 1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波電力電子裝置。這些成果的取得無疑促進(jìn)了有源電力濾波技術(shù)的發(fā)展，特別是進(jìn)入 80 年代以后，由于新型電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，以及新型諧波電流檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波技術(shù) (Active Power Filter 簡(jiǎn)稱 APF)得以迅速發(fā)展。另外，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議、國(guó)際供電會(huì)議等國(guó)際性學(xué)術(shù)組織，也相繼成立了專門的電力系統(tǒng)諧波工作組，并已制定出了限制電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 盡管近十幾年來，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問題的研究取得了很大進(jìn)展。最后，電力系統(tǒng)三相不對(duì)稱負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)序電流也對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列危害，對(duì)供電質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。 本文主要運(yùn)用 ipiq 算法，其方法不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效，將原始電流信號(hào)進(jìn)行按不同頻帶分離，進(jìn)而完成基波與諧波的分離達(dá)到對(duì)電網(wǎng)中的諧波電流進(jìn)行檢測(cè)的功能。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 ：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。本文還運(yùn)用了 PROTEL 對(duì) 基于 ipiq 算法的諧波電流檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn) 進(jìn)行了硬件電路原理圖設(shè)計(jì)。其次，諧波研究的意義還可以上升到治理環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度來認(rèn)識(shí)。伴隨著信息時(shí)代對(duì)電能質(zhì)量越來越高的要求，電力系統(tǒng)諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償已成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重大課題，受到越來越多的關(guān)注，很多國(guó)家都對(duì)此給予了足夠的重視。在學(xué)術(shù)上還有許多問題需要人們?nèi)パ芯拷鉀Q、在解決這些問題的同時(shí) ，才能真正談其制定合適的法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)來限制和管理電力系統(tǒng)的諧波，并對(duì)其進(jìn)行有效的抑制，這些問題可歸納為：如何從器件 (如：變壓器和其它電磁路件、換流器、特別是各種電力電子器件等 )的角度出發(fā)去分析和理解諧波產(chǎn)生的原因：如何利用先進(jìn)的信號(hào)分析設(shè)備、數(shù)字儀器、智能儀表等對(duì)諧波的幅值和相位進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量；如何利用網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)諧波分布進(jìn)行分析，如何建立模型和進(jìn)行數(shù)字仿真；如何從諧波角度去衡量電能的質(zhì)量。國(guó)際國(guó)內(nèi)召南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 3 開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，探討和交流諧波治理的方法和經(jīng)驗(yàn)。國(guó)外有源電力濾波器的研究以日本為代表， 1982 年第一臺(tái)實(shí)用的有源電力濾波器裝置投入實(shí)際運(yùn)行，現(xiàn)已步入實(shí)用化階段。 裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用 LC 調(diào)諧濾波器。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國(guó)獲得廣泛應(yīng)用。幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用 PWM 整流技術(shù)。 PWM 整流器配合 PWM 變流器可構(gòu)成理想的四象限交流調(diào)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(shù)為 1，還可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳送，代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 6 流器而造成了電壓、電流波形的畸變。電工技 術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測(cè)量、危害及抑制。 1 諧波含量 所謂諧波含 量 ，就是各次諧波的平方和開方。但在實(shí)際中供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。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。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。 ③ 對(duì)功率表的影響 測(cè)量有功功率大都采用電動(dòng)系或鐵磁電動(dòng)系功率表，它們有較好的頻率特性，作為監(jiān)測(cè)使用，一般能滿足要求。 (5) 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，會(huì)對(duì)電視機(jī)的圖形效果產(chǎn)生影響 .數(shù)字電路所用邏輯組件都有各自的閥電平和與之相對(duì)應(yīng)的干擾信號(hào)容限，如果諧波的干擾超過其容限，就可能會(huì)破壞觸發(fā)器和存儲(chǔ)器所保存的信息，排除干擾后，它仍會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)器件里 留下痕跡，系統(tǒng)也不會(huì)再恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。即采用濾波器將基波電流分量濾除，得到諧波分量，或采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減得到諧波分量。而且算法中存在頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使計(jì)算出的信號(hào)頻率、幅值和相位不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無法滿足測(cè)量精度的要求，必須對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到要求值。針對(duì)此方法的缺點(diǎn)，有學(xué)者提出一種能適用于任意非正弦、非對(duì)稱三相電路的基于0dq 坐標(biāo)系下廣義瞬時(shí)無功功率的新理論的測(cè)量方法。若將小波變換和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來對(duì)諧波進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)和開發(fā)基于小波變換的諧波監(jiān)測(cè)儀將會(huì)是非常有 意義的工作。缺點(diǎn)是硬件多，花費(fèi)大，并且該理論是基于三相三線制電路 .對(duì)于單相電路，必須首先將三相電路分解，然后構(gòu)造基于瞬時(shí)無功功率理論的單相電路諧波檢測(cè)電路。 則瞬時(shí)功率 p 為 ： )]2c o s ([ c o s)s i n (2s i n2 ?????? ??????? tEItItEeiP () 從上式可以看出，瞬 時(shí) 功率由兩部分組成，即恒定分量 ?cos1 EIp ? 和按雙倍頻率交變的正弦分量 )2cos(2 ?? ?? tp ，則在某一個(gè)周期 T 內(nèi)的平均功率為： ???? c o s)]2c o s ([ c o s11 00 EIdttEITpdtTP TT ????? ?? () ?cosEIp? 為消耗在電阻元件上的平均功率，稱為有功功率。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。 按照 圖 31 可以 計(jì) 算出 ip、 iq ，經(jīng) 低通 濾 波器 濾 波得 出 ip、 iq 中的直流成分 。據(jù) 調(diào)查 目 前電網(wǎng) 電壓 的 總 諧 波畸 變 率平均己達(dá)到 2%3%. 在波形畸 變嚴(yán) 重 時(shí) ，其 值 更高 。 ? 利用電壓互 感器對(duì) A 相電網(wǎng)電壓進(jìn)行取樣，然后經(jīng)過過零比較器，得到一個(gè)與電網(wǎng)電壓同步的方波信號(hào)，作為鑒相器 (PD)的一個(gè)輸入。 具體模塊電路圖 系統(tǒng)主要分為：檢測(cè)取樣部分、信號(hào)處理部分、分離部分、顯示輸出部分。電壓互感器將高電壓按比例轉(zhuǎn)換成低電壓，即 100V，電壓互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)等；主要是電磁式的（電容式電壓互感器應(yīng)用廣泛），另有非電磁式的，如電子式、光電式。根據(jù)比較輸入電壓的結(jié)果輸出正向或反向飽和電壓。其具體參數(shù)如下表所示 表 1 CD74HC4046 引腳 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 24