【正文】 電網(wǎng)諧波問題的分析與研究是一項(xiàng)具有重大意義的任務(wù)。在早期，電力負(fù)荷的組成都比較簡(jiǎn)單，在20世紀(jì)80年代以來，越來越多的非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)在的企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，使電網(wǎng)中的諧波也越來越備受關(guān)注。這樣來看抑制諧波已成為我們必須接受的一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)，而諧波檢測(cè)是諧波抑制中的關(guān)鍵技術(shù)，所以，我們先從諧波檢測(cè)入手，對(duì)電網(wǎng)諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)[2]。諧波作為影響電網(wǎng)的一個(gè)重要因素，使得諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關(guān)注的問題。國外對(duì)諧波問題的研究大約開始于五六十年代，當(dāng)時(shí)的研究主要針對(duì)高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的諧波問題。就在近幾十年間對(duì)諧波的研究已經(jīng)滲透到了數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)仿真、電工理論、控制理論與控制技術(shù)、電力電子學(xué)等很多學(xué)術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)超出了電力系統(tǒng)的范疇，并且形成了特有的理論體系、研究分析方法、控制與治理技術(shù)、檢測(cè)方法與技術(shù)等。在我國，對(duì)諧波問題起步比較晚，但是一直以來都在進(jìn)步中，近年來我國在諧波檢測(cè)方面有了很大的進(jìn)展[3]。 近年來諧波檢測(cè)在理論與實(shí)際中已取得了驕人的成績(jī)，然而隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)諧波檢測(cè)方法也提出了更高的要求。未來諧波檢測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)如下：（1）諧波檢測(cè)對(duì)象研究從以穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)研究為主轉(zhuǎn)向非穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)。（3）充分利用現(xiàn)有各種諧波檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，并且完善現(xiàn)有的諧波檢測(cè)理論體系，研究探索新方法，實(shí)現(xiàn)快速、暫態(tài)諧波跟蹤，是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的需要。近年來，這兩項(xiàng)技術(shù)業(yè)已成為主流的諧波檢測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[5]。諧波污染對(duì)電網(wǎng)的危害是很嚴(yán)重的，采取相應(yīng)措施加以抑制減少其危害是我們研究諧波的最終目的。目前看來，抑制諧波仍然是熱門的研究，對(duì)于諧波的大量出現(xiàn)，國外已經(jīng)研制成功各種諧波測(cè)量分析儀，如德國產(chǎn)的NOWAI諧波分析儀、美國產(chǎn)的F40/41手持式諧波分析儀和英國產(chǎn)的PA系列高精度電力諧波分析儀等等。但由于諧波源的多樣性，這種方法還不是很完備；二是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的[6]。（1）無源濾波裝置無源濾波裝置由電容器、電抗器，有的還包括電阻器等無源元件組成，從而能對(duì)某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用；將濾波器與動(dòng)態(tài)控制的電抗器一起并聯(lián)，可以既滿足無功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又能夠消除高次諧波的影響，這是因?yàn)镾VC的調(diào)節(jié)范圍要由感性區(qū)擴(kuò)大到容性區(qū)。（2）有源濾波裝置有源濾波裝置，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消。我國在關(guān)于諧波抑制這方面的有源電力濾波器的研究起步較晚，是繼日本、美國德國等之后得到了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，投入了大量的人力和物力，但是如果與發(fā)達(dá)的國家相比較還是有一定的差距。目前看來，非線性負(fù)荷的大量增加，使不少電網(wǎng)諧波超過了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且還危及電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等問題。但是我國在有源電力濾波器方面仍處于崛起階段，到1989年才有這方面的文章。從近年來的研究與應(yīng)用中我們可以看到APF的發(fā)展趨勢(shì)：（1）采用PWM調(diào)制技術(shù)和提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償；（2）在經(jīng)濟(jì)方面，可采用APF和PF組成的混合型濾波系統(tǒng)，來減少APF的容量，可以達(dá)到降低成本、提高效益的目的；（3）在長遠(yuǎn)來看，隨著半導(dǎo)體器件制造水平的不斷發(fā)展，混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，而串并聯(lián)APF由于其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。要想抑制諧波從諧波檢測(cè)開始，本文就是對(duì)電網(wǎng)諧波電流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容安排如下：(1) 在第一章緒論中介紹了諧波的研究目的、意義、檢測(cè)的現(xiàn)狀、抑制的發(fā)展現(xiàn)及發(fā)展趨勢(shì)。(3) 對(duì)瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，而且對(duì)檢測(cè)的幾種方法進(jìn)行了比較分析，分析了算法理論。(5) 在第五章改進(jìn)的方法仿真分析中，進(jìn)行了模塊的編寫，將各個(gè)子模塊封裝后進(jìn)行模塊的連接，進(jìn)行仿真，得出結(jié)果，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)分析。 第二章 電網(wǎng)諧波分析介紹了諧波的基本概念，數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及衡量諧波的指標(biāo)，分析了諧波帶來的危害，電網(wǎng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)等等對(duì)這一章進(jìn)行了相關(guān)電網(wǎng)諧波的分析。在進(jìn)行傅立葉分解時(shí)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。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[7]。諧波實(shí)際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。在供用電的系統(tǒng)中，一般認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。將正弦電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分的關(guān)系，仍然為同頻率的正弦波。當(dāng)然，若非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)，電流也是非正弦波。諧波分析是計(jì)算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方法。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，把式中轉(zhuǎn)成即可。所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。 （2）第n次諧波電流含有率： （211）式（211）中：為第n次諧波電流有效值；為基波電流有效值。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在具有非線性的用電設(shè)備時(shí)，即使給這些設(shè)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．為了提高電能質(zhì)量，對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和諧波的總畸變率限制到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。產(chǎn)生諧波的原因有很多，隨著人們對(duì)諧波的研究越來越深?yuàn)W，也越來越多的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于諧波給我們帶來的危害我們要給予有效的抑制。產(chǎn)生諧波的主要原因有兩方面：一方面是來自用戶的非線性負(fù)荷；另一方面是來自系統(tǒng)的影響。然后在來自系統(tǒng)的影響中：一是，系統(tǒng)中的交流發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子間存在著氣隙，由于受到鐵芯齒、槽或工藝的影響，分布不均勻，雖然說各相電勢(shì)的波形是對(duì)稱的，但是三相電勢(shì)中也會(huì)含有一定數(shù)量奇次諧波。電網(wǎng)中作用在同一線路上的不同頻率的正弦電勢(shì)，使得電路中的電流成為各個(gè)不同頻率電流分量的疊加值，這樣就形成了諧波電流。在集膚效應(yīng)的作用下，使導(dǎo)體對(duì)諧波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)體發(fā)熱，破壞絕緣，嚴(yán)重會(huì)造成短路，甚至?xí)鸹馂?zāi)。供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般都采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)。 (2) 影響電網(wǎng)的質(zhì)量 電網(wǎng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。在民用配電系統(tǒng)中的中性線，如計(jì)算機(jī)等一類負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波；在三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波會(huì)在中性線上疊加，這樣中性線上的電流值可能就超過相線上的電流。當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流會(huì)增加得更大，電容器損耗功率也會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下使得絕緣介質(zhì)加速老化，影響電容器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸。同時(shí)，由于諧波電壓的存在增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，由于諧波電流的存在還增加了銅損，也會(huì)大大增加非對(duì)稱性負(fù)荷的變壓器勵(lì)磁電流的諧波分量,因此減少變壓器的實(shí)際使用容量。同時(shí)諧波對(duì)電力測(cè)量影響也較大。由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和將諧波電壓控制在允許的范圍內(nèi)，為了保證供電質(zhì)量。各級(jí)電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來反映。下表（212）是公用電網(wǎng)諧波電流（相電流）限值:表212電網(wǎng)中諧波電流的限制電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（kv）電流總諧波畸變率 （%）各次諧波電壓總含有率（%）畸次偶次 110本章對(duì)電網(wǎng)諧波的基本概念、數(shù)學(xué)表達(dá)式、諧波來源及危害進(jìn)行了討論，研究了電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因。為進(jìn)行電網(wǎng)諧波的分析及檢測(cè)和抑制奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步引出諧波電流檢測(cè)的分析。 本章首先介紹了基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)。1983年由赤木泰文（Akagi）提出了三相瞬時(shí)無功功率理論，此后該理論不斷被研究并逐漸完善[10]。如圖321所示，取軸和軸重合，在同一平面上繪制和兩個(gè)坐標(biāo)系。由于交流磁動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間在變化著，下圖中磁動(dòng)勢(shì)矢量的長度是任意的。考慮到變換前后總功率不變，在這個(gè)前提下，可以證明得到，匝數(shù)比應(yīng)為。根據(jù)圖321及三相電路關(guān)系可得： （37） 關(guān)于變換，早在1923年布隆代爾便提出分析交流電機(jī)耦合振蕩的雙反應(yīng)方法，1929年帕克在此基礎(chǔ)上提出坐標(biāo)系統(tǒng)表示同步電機(jī)基本方程，變換即為著名的Park變換。如圖322所示，兩相交流電流、和兩個(gè)直流電流、產(chǎn)生相同的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)。圖33 、和坐標(biāo)系空間矢量 、軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長短不變，相當(dāng)于、繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。由圖可見，、和、之間存在以下的關(guān)系： （38）當(dāng)存在零序電流時(shí)，所以可得到系變換到系的變換式為： （39） 諧波檢測(cè)是諧波問題的重要分支，下面我們將對(duì)檢測(cè)的方法進(jìn)行分析比較：（1）模擬濾波器 采用模擬濾波器的優(yōu)點(diǎn)是原理和實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低和品質(zhì)因數(shù)易于控制，且能濾除一些固有頻率的諧波。下圖321為模擬并行濾波式諧波檢測(cè)裝置框圖。 圖34 模擬濾波器該方法的缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)電路的濾波中心頻率（，…，）對(duì)元件的參數(shù)很敏感，且受外界環(huán)境的影響很大，所以很難獲得理想的幅頻特性和相頻特性；檢測(cè)的諧波中含有較多的基波分量使得檢測(cè)精度較低；當(dāng)需要檢測(cè)多次諧波時(shí)，電路變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)起來很大難度；這種方法存在很大的不足，