【正文】 PLL 電路原理圖如下圖 39 所示： 圖 39 PLL 電路圖 ? 分離 如硬件框圖所示，分離部分由 DSP（ TMS320F2812）進(jìn)行處理。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環(huán)名稱的由來。兩個(gè)輸入電壓一個(gè)是參考電壓 Vr，一個(gè)是待測電壓 Vu。當(dāng)在一次繞組上施加一個(gè)電壓 U1 時(shí)，在鐵心中就產(chǎn)生一個(gè)磁通φ，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，則在二次繞組中就產(chǎn)生一個(gè)二次電壓 U2。它將電壓信號(hào)變?yōu)橥l率的方波信號(hào)， 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(hào)的相差的器件，是使輸出電壓與兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差有確定關(guān)系的電路。 基于 qp ii ? 算法的諧波電流檢測方法的實(shí)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(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換 ， 檢測到的電流信號(hào)送至 TMS320F2812 的 ADC 端口進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在插座上插上一塊 A/D 采樣板，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流信號(hào)的采集和量化。 理想情況下， 電 網(wǎng) 電壓 波形 應(yīng)為 正弦波 。 ?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(shí)無功功率理論的諧波、無功和負(fù)荷序電流檢測方法。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(jìn)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。 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。 鑒于本人對(duì)瞬時(shí)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(jì)主要研究瞬時(shí)無功功率的諧波檢測方法。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(huì)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(jìn)一步細(xì)分的特性，將為諧波分析提供可靠依據(jù)?？梢?，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性。使用此方法測量諧波精度較高，功能較多，使用方便。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(shí)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(shí)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(duì)所有諧波源用戶的設(shè)備投運(yùn)時(shí)的測量，以確保設(shè)備投運(yùn)后電力系統(tǒng)和設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 (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(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。 ② 對(duì)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。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(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流 . (4) 家用電器 電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波 發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和 其他一些原因，發(fā)電源多少會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少 。另外還有其他會(huì)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(jī)、變壓器等。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對(duì)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。電力系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)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(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波或分?jǐn)?shù)諧波。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。重?cái)?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。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。諧波研究工作概括起來可以劃分為 4 個(gè)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(bǔ)償和抑制。將中心點(diǎn)的空間距離作為一個(gè)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(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。 1 993 年，美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì)在以上標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改和補(bǔ)充，制定了 IEEE519 諧波限制標(biāo)準(zhǔn) 。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(huì) (IEC)、國際大電網(wǎng)會(huì)議 (ClGRE)、國際供電會(huì)議 (ClRED)及美國電氣和電子工程師學(xué)會(huì) (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)。同時(shí)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)。 諧波的研究具有重要意義，首先是諧波的危害十分嚴(yán)重。本文研究重點(diǎn)是 根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論，比較了兩種諧波電流的檢測方法 pq 法和 ipiq 法。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 文章 最后基于瞬時(shí)無功功率理論的 ipiq 算法，并借助 MATLAB 進(jìn)行了仿真，最后給出仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的可行 性和結(jié)論的正確性。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說，無諧波是“綠色”的主要標(biāo)志之一。 在電力系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)荷的作用，使得電壓和電流的波形產(chǎn)生畸變，電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的高次諧波，使得電能質(zhì)量下降。通過對(duì)這幾方面問題的研究，將會(huì)導(dǎo)致新技術(shù)乃至新的邊緣分支學(xué)科地誕生。奧地利Gee J． Wakileh 2020 年出版的 (Power Systems Harmonics》是國外諧波治理的代表作。盡管如此，由于 APF 初期投入大， 補(bǔ)償容量難以做大等原因，使得 APF 未能普及應(yīng)用。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。 有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經(jīng)形成。迄今為止，對(duì) PWM 逆變器的研究已經(jīng)很充分，但對(duì) PWM 整流器的研究則較少。小容量整流器，為了實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，通常采用二極管加 PWM 斬波的方式。 1945 年 、 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。 諧波的表示方法 諧波可以根據(jù)周期性波形，用傅立葉級(jí)數(shù)分解得到。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。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 Hz50 為基波頻率 )整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近%40 ，這是最大的諧波源。 電力諧波的危害 諧波對(duì)供電系統(tǒng)和用電設(shè)備危害 【 24】 主要表現(xiàn)有以下幾方面 ： (1) 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(shí)，因集膚效應(yīng) (當(dāng)交變電流流過導(dǎo)線時(shí)，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。至于無功功率的測量，對(duì)于不對(duì)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。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(huì)有程序失控的危險(xiǎn)，使系統(tǒng)進(jìn)人預(yù)想不到的狀態(tài)，甚至陷人意外停機(jī)狀態(tài)。該檢測法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，輸出阻抗低，結(jié)果易于控制 .該方法也有許多缺點(diǎn)，如濾波器的中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性。 3) 基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢測與分析 1989 年，日本學(xué)者 等人提出瞬時(shí)無功功率理論，根據(jù)此理論可以得到瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率，將其分解為交流和直流，其交流部分對(duì)應(yīng)于諧波電流，由此可以計(jì)算諧波分量。該方法較好地解決了前兩種方法中存在的問題，但在目前條件下，由于耗費(fèi)大，采用這種方法相比之下是得不償失的。 5) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測與分析 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是最近發(fā)展起來十分熱門的交叉邊緣學(xué)科，它涉及了生物、電子、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科，有非常廣闊的應(yīng)用前景，它的發(fā)展對(duì)未來的科學(xué)技術(shù)的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 14 發(fā)展將有重要的影響，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是采用物理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)來模仿人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)，它之所以受到人們的普遍關(guān)注，是由于它具有本質(zhì)的非線性特性、并行處理能力、強(qiáng)魯棒性以及自組織自學(xué)習(xí)的能力。近幾年，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行了研究和發(fā)展，并提出廣義瞬時(shí)無功功率理論，在此基礎(chǔ)上提出基于廣義瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測方法，已初步應(yīng)用與工程實(shí)踐。 記 ?? c oss in2 tIip ? ， 與電壓同相位，稱為有功分量。以該理論為基礎(chǔ)可以得出 αβ 坐標(biāo)系下有源濾波器諧波和無功電流的實(shí)時(shí)檢測方法。按下 式 計(jì) 算出 被檢測電路 電 流 ia、ib、 ic 的 基波分量 : （ 3. 2. 8） 將 iaf、 ibf、 icf與 ia、 ib、 ic 相減，即可得出需要 檢測 的 諧 波 電 流 iah、 ibh、 ich (當(dāng) 負(fù)載電 流中含 負(fù) 序 電 流 時(shí) )。 而 pq 算法在 電 網(wǎng) 電壓 有畸 變 的情況下 計(jì) 算的 諧 波 電 流與 實(shí)際 的 諧 波 電 流是有差 別 的，即 該 條件下，瞬時(shí) 無功理 論 中的各定 義 量不再有明 顯 的物理意 義 。鑒相器、低通濾波和函數(shù)發(fā)生器組成一個(gè)鎖相環(huán) (PLL)電路。結(jié)構(gòu)如圖 33 所示： 圖 33系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 檢測取樣 如硬件框圖所示，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行檢測采樣的是霍爾電流傳感器，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測采樣的是電壓互感器 。 其電路原理圖如下圖 36 所示： 圖 36電壓互感器電路圖 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院 2020 屆學(xué)士學(xué)位論文 22 ? 信號(hào)處理 如硬件框圖所示，對(duì)信號(hào)處理的部分主要是過零比較器和鑒相器等組成的 PLL 電路。當(dāng)參考電壓已知時(shí)就可以得出待測電壓的測量結(jié)果，參考電壓為零時(shí)即為過零比較器。 DSP： Digital Signal Processor 的簡稱，即數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種特別適用于數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要運(yùn)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法 。 因鎖相環(huán)可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率對(duì)輸入信號(hào)頻率的自動(dòng)跟蹤，所以鎖相環(huán)通常用于閉環(huán)跟蹤電路。原理是利用比較器對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較。它主要由一、二次線圈、鐵心和絕緣組成。 ? 過零比較器 ：它對(duì)諧波分析同步采樣起著很重要的作用。 由 該圖 可以看出， ipiq 理 論 中 電 源 電壓 不直接參與運(yùn)算，代之以與 電 源 電壓 罔相位的 標(biāo) 準(zhǔn)正 弦信號(hào) sinwt 和與之 對(duì)應(yīng) 的余弦信號(hào) coswt ， 這樣 ，即使 電 源 電壓 畸 變 與否 對(duì) 于 計(jì) 算 結(jié) 果就不 產(chǎn) 生影響了。 但由 于 pq 檢測 法 電 源 電壓 要 參與運(yùn) 算，如果 電 網(wǎng) 電壓 畸 變 ，反 映 檢測結(jié) 果就會(huì)出 現(xiàn)誤 差。與 ?? (或 pq )算法相比， qp ii ? 算法借助了構(gòu)想的正、余弦函 數(shù)，沒有直接使用系統(tǒng)電壓信息參與運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)電壓波形畸變時(shí)，畸變成分在運(yùn)算過程中不出現(xiàn)，檢測結(jié)果不受影響，因此本文采用了這種方法。 當(dāng)電流和電壓均為正弦波時(shí)，無功功率是代表負(fù)荷和電源之間的能量來回交換的一種量度。最后將闡述怎樣將 三相瞬時(shí)無功功率理論用