【文章內容簡介】 法在 t 時刻預測出 t+2 時刻的諧波電流與其理想值的偏差值，通過選擇 t+1 時刻的控制策略，利用加權最小二乘法使得在 t+2 時刻該偏差值為最小，從而實現(xiàn)了 2 步預測的無差拍控制。將中心點的空間距離作為一個擬合參數(shù)引入預測過程，提高了預測精度和消噪能力，它具有原理簡單和實時性好等特點。這些成果的取得無疑促進了有源電力濾波技術的發(fā)展，特別是進入 80 年代以后，由于新型電力半導體開關器件的出現(xiàn)， PWM 控制技術的發(fā)展，以及新型諧波電流檢測方法的提出，有源電力濾波技術 (Active Power Filter 簡稱 APF)得以迅速發(fā)展。國外有源電力濾波器的研究以日本為代表， 1982 年第一臺實用的有源電力濾波器裝置投入實際運行，現(xiàn)已步入實用化階段。盡管如此，由于 APF 初期投入大， 補償容量難以做大等原因，使得 APF 未能普及應用。因此， 目前在理論和應用兩方面都存在許多問題，需要進一步研究和解決。 近 10 多年來，對電力諧波問題的研究已經大大超過了電力系統(tǒng)自身的研究范圍，滲透到電工理論、非線性系統(tǒng)理論、數(shù)字信號處理、電力電子等學科領域，對電力諧波的研究已取得了前所未有的進展，并有了許多重要發(fā)展。諧波問題逐漸被認識和了解，對其產生的原因，計算方法的分析，危害與影響的機理，測量與評估標準的制定，以及研究綜合治理措施等方面的探索也在不斷深入。但由于諧波問題復雜，涉及領域寬，目前仍有大量問題需要 解決。諧波研究工作概括起來可以劃分為 4 個方面： 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 4 1)諧波功率理論研究； 2)諧波及其危害和影響的分析，制定限制諧波的標準； 3)諧波有關的檢測問題； 4)諧波的補償和抑制。 諧波抑制技術的發(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： 一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波 【 12】 ，這對各種諧波源都是適用的；另一條 是對電力電子裝置進行改造，使其不產生諧波，且功率因數(shù)可控制為 1，這當然只適用于作為主要諧波電力電子裝置。 裝設諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用 LC 調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使 LC 濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。盡管如此， LC 濾波器當前仍是補償諧波的最主要手段。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器 (ActivePowerFilterAPF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國獲得廣泛應用。 有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經形成。 80 年代以來，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制控制技術 (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。 對于作為主要諧波源的電力電子裝置來說，除了采用補償裝置對其諧波進行補償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發(fā)新型變流器，使其不產生諧波，且功率因數(shù)為 1，這種變流器被稱為單位功率因數(shù)變流器。高功率因數(shù)變流器可近似看成為單位功率因數(shù)變流器。 大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術，即將多個方波疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數(shù)越多，波形越接近南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 5 正弦波，當然電路結構也越復雜。多重化技術如果 能與 PWM 技術相配合，可取得更為理想的結果。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。迄今為止，對 PWM 逆變器的研究已經很充分，但對 PWM 整流器的研究則較少。對于電流型 PWM 整流器，可以直接對各開關器件進行正弦 PWM 控制，使得輸入電流接近正弦波且和電源電壓同相位。這樣，輸入電流中就只含與開關頻率有關的高次諧波，這些諧波頻率很高，因而容易滋除。同時，也得到接近 l 的功率因數(shù)。對于電壓 型 PWM 整流器，需要通過電抗器與電源相連。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制就是設法得到與電源電壓同相位、由負載電流大小決定其幅值的電流指令信號，并據此信號對 PWM 整流器進行電流跟蹤控制，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。 PWM 整流器配合 PWM 變流器可構成理想的四象限交流調速用變流器，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，還可實現(xiàn)能量的雙向傳送，代表了這一技術領域的發(fā)展方向。小容量整流器，為了實現(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。這種電路通常稱為功率因數(shù)校正電路，己在開關電源中獲得了廣泛的應用，因為辦公和家用電器中使用的開關電源數(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。 本文的主要工作 1) 了解中低壓配電網諧波電流的特點； 2) 研究諧波電流檢測算法； 3) 對諧波電流檢測算法實現(xiàn)進行 Matlab 仿真； 4) 對 諧波電流檢測 電路進行原理圖設計； 5) 對所設計系統(tǒng)進行調試。 2 電力諧波理論介紹 “諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數(shù)學分析在 18 世紀和 19 世紀己經奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20 世紀 30 年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 6 流器而造成了電壓、電流波形的畸變。 1945 年 、 Read 發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。到了 50 年代和 60 年代，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，發(fā)表了有關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重。世界各國都對諧波問題予以充分的關注 .國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國 際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。 電力諧波的基本概念 國際公認的諧波定義為：“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行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，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) .電網中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾盆，使電網受到“污染”。電工技 術領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 諧波可以根據周期性波形，用傅立葉級數(shù)分解得到。習慣上，認為電網穩(wěn)的供電電壓波形為工頻正弦波形其數(shù)學表達式為： )s in (2)( ?? ?? tUtu （ ） 式中 U 一 電壓有效值 ； ? 一 初相角； ? 一 頻率； T 一 周期。 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 ( iRu? )、微分 ( dtdiLu? )和積分 ( ?? idtCu 1 )關系，仍為同頻率的正弦波。但當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 )( tu? 可分解為如下的傅立葉級數(shù) ： ??? ??? 10 )s inc o s()( n nn tnbtnaatu ??? （ ） 其中 ?? ? ??? 200 )()(21 tdtua ?? ? ???? 20 )(c o s)(21 tdntua n 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 7 ?? ? ???? 20 )(s in)(21 tdntub n 或 ??? ??? 10 )s in ()( n nn tncatu ??? () 式中 nc 、 n? 和 na 、 nb 的關系為 22 nnn bac ?? )( nnn baarctg?? nnn ca ?sin? nnn cb ?cos? 在式（ ）或式 ()的傅立葉級數(shù)中，頻率為 T1 的分量稱為基波，頻率為 T1 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 )(u t? 轉成 )(i t? 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 n 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 ： ???? 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。 南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 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。 %1001 ?? UUH R U nn （ ） 式中 nU — 第 n 次諧波電壓有效值 (方均根值 )； 第 n 次諧波電流含有率以 nHRI 表示。 %1001 ?? IIHRI nn （ ） 式中 nI — 第 n 次諧波電壓有效值 (方均根值 ) 公用電網的電壓總畸變率應該被限制在 %53? 之內。當電力系統(tǒng)中存在具有非線性的用電設備時，即使給這些設備供給理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在 .含半導體非線性元件的諧波源是電力系統(tǒng)的主要諧波源，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)。另外還有其他會產生諧波的設備，主要是含有鐵磁非線性元件的設備，如旋轉電機、變壓器等。 電力諧波產生的原因 在理想的情況下，優(yōu)質的電力供應應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 Hz50 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備 (又稱為非線性負荷 )供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞。因此，諧波含量是電能質量的重要指標 之一。在電力系統(tǒng)中的發(fā)電，輸電、轉換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產生諧波。 發(fā)電源質量不高產生諧波 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)電源多少會產生一些諧波，但一般來說很少 。 用電設備產生諧波 (1) 晶閘管整流設備 由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了南昌航空大學科技學院 2020 屆學士學位論文 9 越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網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。經統(tǒng)計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近%40 ，這是最大的諧波源。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分數(shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發(fā)展，對 電網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，從而引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是 7 次的諧波，平均可達基波的 %8 、 %20 ，最大可達 %45 。 (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重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流 . 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