【正文】 年 月 日 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) I 配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測(cè)與治理措置的研究 摘 要 隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大功率非線性 、沖擊性和波動(dòng)性負(fù)荷 不斷增加， 比如大功率的變頻設(shè)備及拖動(dòng)裝置、電氣化鐵路、電化工業(yè)的整流設(shè)備、電弧爐等，這些負(fù)荷造成了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變（諧波）、電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡、非對(duì)稱性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴(yán)重降低。包括當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展前景最好的智能電網(wǎng) (Smart Grid)都是以滿足 21 世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量為重要特征。 與傳統(tǒng)的無源濾波器一樣，有源濾波器 (APF)也是給諧波電流或諧波電壓提供一個(gè)在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 （ 4） 研究電能質(zhì)量的治理措施，分析了三種常用治理措施的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)注入式混合型有源濾波器 (IHAPF)注入支路存在諧波注入能力與無功過補(bǔ)的矛盾，提出了一種新型的雙諧振混合型有源濾波器 (DIHAPF)，并分析了其諧波抑制原理、諧波放大情況、無功補(bǔ)償特性和諧波檢測(cè)與控制方法 等關(guān)鍵技術(shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 %100???NNreU UUU? （ ） 式 （ ）中 U? 為電壓偏差； reU 表示實(shí)際電壓 kV； NU 表示標(biāo)稱電壓 kV。 電壓波動(dòng)和閃變 電壓波動(dòng)主要是由于大量沖擊性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的廣泛使用而引起的，是指電壓包絡(luò)線有規(guī)則的變化或一系列隨機(jī)電壓變動(dòng)，常用一系列電壓均方根值中相鄰的兩個(gè)極值之差與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的相對(duì)百分比來表示，即 %100m inm a x ???NUUUd （ ） 式（ ）中， maxU 、minU分別為一系列電壓均方根值中相鄰的極大值和極小值； NU為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓》 (GB/T184812021)規(guī)定了交流電力系統(tǒng)中作用于電氣設(shè)備的暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓的具體要求、電氣設(shè)備的絕緣水平，以及過電壓保護(hù)方法，不適用于因靜電、觸及高壓系統(tǒng)以及穩(wěn)態(tài)波形畸變 (諧波 )引起的過電壓。 、 按 qp ii ? 運(yùn)算方式檢測(cè)時(shí)，由于只需取 wtsin 、 wtcos 參與計(jì)算 ,畸變電壓的諧波成份在運(yùn)算過程中沒有出現(xiàn)，因而檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測(cè)結(jié)果是準(zhǔn)確的。 FFT 測(cè)量諧波精度高、功能多、使用方便，與其他測(cè)量方法相比，目前適用范圍最廣泛 ,理論和技術(shù)最成熟，在諧波測(cè)量的應(yīng)用中具有不可替代的作用，而且在數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)中更容易實(shí)現(xiàn)。首先 針對(duì)第一個(gè)問題，鑒于頻譜泄露和柵欄效應(yīng)都是由于采樣頻率與信號(hào)頻率不同步造成的，所以本系統(tǒng)采用鎖相環(huán) (Phase Locked Loop:PLL)使信號(hào)頻率與采樣頻率同步。 nX 的傅里葉變換 )(39。 （ 2） 將釆集到的信號(hào)送入 DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，計(jì)算出各電能質(zhì)量參數(shù)，通 過 RS485通信模塊將數(shù)據(jù)傳送 上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程檢測(cè) 。本文中 ???? kR ，采用 4個(gè) ? 的電阻串聯(lián)得到，原邊線圈內(nèi)阻為 190? ， R43 的功率為 WkmAP R )10( 243 ???? 。 圖 信號(hào)調(diào)理電路圖 過零檢測(cè)電路 加入過零檢測(cè)電路即方波電路，將電壓信號(hào)變成同頻率的方波信號(hào)， DSP 通過捕捉上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，以保證同步采樣。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 圖 TMS320F2812DSP 芯片 TMS320F2812DSP 的功能方塊圖如圖 所示 。當(dāng) aoU 大于 0 時(shí)，輸出高電平；當(dāng) aoU 小于 0 時(shí)，輸出低電平。 2） 電流 互 感器 在隔離條件下 CS040G 型電流 互 感器具有測(cè)量電流電壓一次變換到位，直接將被測(cè)電流隔離轉(zhuǎn)換成電壓，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。 （ 3） 鍵盤及液晶屏是人機(jī)交互的接口，實(shí)時(shí)顯示電能質(zhì)量信息。 kjIkIjkjUkUkXJRJR ???? ? ?)()()()( kIkUjkIkURJJR ???? （ ） 由式（ ）得 ? ?)()()()()( kIkUjkIkUkXRJJR ????? （ ） 根據(jù)傅里葉變換的周期性和奇偶對(duì)稱性，可知實(shí)序列的傅里葉變換的實(shí)部為偶數(shù)，虛部為奇數(shù)。鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器 4個(gè)部分組成，是一個(gè)自動(dòng)跟蹤相位的負(fù)反饋系統(tǒng)。 傅里葉級(jí)數(shù) 當(dāng)輸入信號(hào) )(tf 為周期函數(shù)或者可近似作為周期函數(shù)處理時(shí)，且滿足狄里赫利條件(電力系統(tǒng)信號(hào)基本上均滿足 )，則它可被分解為一個(gè)各種頻率的正弦函數(shù)序列之和，即傅里葉級(jí)數(shù)，其三角級(jí)數(shù)形式為 )s i nc os()(10 nw tbnw taatf nn n ??? ??? （ ） 式（ ） 中 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 ??????????????????2020200s i n)(2c o s)(2)(1n w td ttfTbn w td ttfTadttfTann 其中， wT /2?? ， n = ...3,2,1 在式（ ）的傅立葉級(jí)數(shù)中，頻率為 T1 的分量稱為基波，頻率為大于 1 的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù) 即為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 比較 qp ii ? 運(yùn)算方式和基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測(cè)量方式可知，第一種方法對(duì)于測(cè)量基波分量和總體諧波含量具有良好的實(shí)時(shí)性，但是無法測(cè)量具體某次諧波的含量；第二種方法雖然可以測(cè)量出單次的諧波含量，但是硬件復(fù)雜，成本 較高，實(shí)現(xiàn)起來也比較繁瑣。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 3 電能質(zhì)量檢測(cè)分析算法 電能質(zhì)量歸納起來主要包括 6 個(gè)方面 :電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓。從嚴(yán)格的技術(shù)角度講，電壓波動(dòng)是一種電磁現(xiàn)象，而閃變是電壓波動(dòng)對(duì)某些用電負(fù)荷引起的有害結(jié)果，不屬于電磁現(xiàn)象。 (2)電壓等級(jí)小于等于 1OkV 的三相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的 ? 7%； (3)低壓 220V 單相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的 +7%和 10%。隨著發(fā)電企業(yè)的不斷新建和擴(kuò)容，以及電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，電力供應(yīng)緊張的局面有了較大緩解。但是由于受功率器件容量的影響， APF 可承受的容量不是很大，不適合單獨(dú)應(yīng)用于高電壓、大容量的場(chǎng)合。 為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，向用戶提供高品質(zhì)的電能，必須對(duì)影響電能質(zhì)量的眾多因素進(jìn)行綜合治理，改善各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)，使其達(dá)到國(guó)標(biāo)規(guī)定的正常水平。要對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行改善，首先要對(duì)電能質(zhì)量做出精確的檢測(cè)和分析，測(cè)量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷造成各種電能質(zhì)量問題的原因，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。 另一方面，電力市場(chǎng)逐步完善，社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。隨著高電壓、大容量電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)諧波抑制與無功補(bǔ)償電能質(zhì)量綜合治理裝置經(jīng)歷了無源濾波器 (Passive Filter:PF)、有源濾波器 (Active Power Filter:APF)、靜止無功補(bǔ)償裝置 (Static Var Compensator:SVC)、靜止同步補(bǔ)償器 (Static Synchronous Compensator:STATCOM)、以及混合型有源濾波器(Hybrid Active Power Filter:HAPF)等不同的技術(shù)階段。闡述了這四個(gè)模塊的原理，分析了各模塊的實(shí)現(xiàn)方法。 電能質(zhì)量的分類 根據(jù)相關(guān)的六個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（ GB/T 123252021)、《電安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 能質(zhì)量電力系統(tǒng) 頻率允許偏差》 (GB/T 159451995)、《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 (GB/T 145491993)、《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》 (GB/123261990)、《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》 (GB/T 155431995)、 《電能質(zhì)量暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓》 (GB/T 184812021)、可將電能質(zhì)量劃分為：供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡、暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓六個(gè)方面。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 (GB/T 145491993)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測(cè)量方法，適用于交流頻率為 50Hz，額定電壓 110kV 及以下的公用電網(wǎng)， 6 至220kV 各級(jí)公用電網(wǎng)電壓（相電壓）總諧波畸變率 為 5%， 6 至 10kV 為 4%， 35至 66kV 為 3%， 110kV 為 2%。 暫時(shí)過電壓和瞬態(tài)過電壓 電力系統(tǒng)中的過電壓現(xiàn)象大多數(shù)是由于運(yùn)行操作、雷擊和故障引起的，是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的 ,是供電特性之一。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 該方法中，需用到與 a 相電 壓ae同相位的正弦信號(hào) wtsin 和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào) wtcos ，它們由一個(gè)鎖相環(huán) (PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生器電路得到。但這種算法需要大量的訓(xùn)練樣本，需要一定的時(shí)間來訓(xùn)練這些樣本，而且如何確定需要的樣本數(shù)也沒有規(guī)范方法，屬于目前正在研究的新方法，研究 和應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較短，實(shí)現(xiàn)技術(shù)尚需完善，在工程應(yīng)用中還未優(yōu)先選用。 但是快速傅里葉變換 (FFT)也有它自身的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。39。 電 壓 電 流 傳感 器信 號(hào) 調(diào) 理 電路過 零 檢 測(cè)電 路T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 數(shù) 據(jù) 處理 模 塊R S 4 8 5 通 信鍵 盤液 晶 顯 示電 源 電 網(wǎng) 信 號(hào) 圖 系統(tǒng)硬件框圖 各模塊功能及工作流程為： （ 1） 在數(shù)據(jù)釆集模塊中，將待測(cè)交流信號(hào)經(jīng) 互 感器隔離、轉(zhuǎn)換。 本文中的 VSM025A 型電壓傳感器將 220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成為 1V的交流電壓， VSM025 基本電氣參數(shù)如表 所示 。信號(hào)調(diào)理電路如圖 所示， R1 R18是可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)可調(diào)電阻的阻值能改變電路的放大倍數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的電壓范圍； D D8 是起輸入保護(hù)作用，使運(yùn)放與外設(shè)連接時(shí)，有電纜等注入高電壓脈沖噪聲，若這種噪聲超過運(yùn)放的據(jù)對(duì)最大額定值，則內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通，運(yùn)算放大器會(huì)被破壞，這時(shí)添加 D D8 這種二極管期望選用正向電壓降比寄生二極管低的肖特基二極管。 （ 7） 增強(qiáng)型 接口模塊及 UART， SPI， McBSP 串行通訊接口。芯片采用 32 位中央處理器，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)算處理能力，可在 150MHz (時(shí)鐘周期 )下工作 ， 其性能遠(yuǎn)優(yōu)于 2021 系列的其他 DSP。使 用該 互 感器的時(shí)候，首先接通副邊電源，再接通原邊。 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集的精確度直接影響到系統(tǒng)的性能，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)數(shù)字 /模擬混合電路與 DSP 的無縫連接，以保證數(shù)據(jù)的吞吐量。39。if 的相位轉(zhuǎn)成脈沖寬度信號(hào)，經(jīng)低通濾波器平滑后，成為直流電壓信號(hào)。一種常用的方法是對(duì)該種波形的時(shí)間連續(xù)信號(hào)用采樣裝安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行快速諧波分析。與傅里葉變換相比，小波變換是時(shí)域和頻域的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能可以對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時(shí)域毫無局部性的缺點(diǎn)。 基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法 瞬時(shí)無功功率理論最早于 20 世紀(jì) 80 年代由赤木泰文提出 ,在許多方面得到了成功應(yīng)用。 7%； （ 3） 220 V單相供電為 +7%， 10%。 諧波 諧波是有電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷產(chǎn)生的。 國(guó)際電工委員會(huì) (International Electrical Commission:IEC)將電能質(zhì)量定義為“供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶適用電力的物理性”。 目前，諧波抑制與無功補(bǔ)償電能質(zhì)量綜合治理的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源濾波器與無源濾波器組合形成的混合型有 源濾波器 (HAPF)，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，濾波性能好，同時(shí)具備 APF 與 PF的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比高。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 國(guó)外對(duì)電能質(zhì)量研究起步較早，從電能質(zhì)量理論到相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立；從用戶終端電氣環(huán)境的定義到全國(guó)性的電能質(zhì)量普查和監(jiān)測(cè)；從各種電能質(zhì)量問題分析方法提出到“用戶電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)等方面的研究都在深入行。