基于瞬時無功功率理論的三相諧波電流分析與檢測

基于瞬時無功功率理論的三相諧波電流分析與檢測,基于,瞬時,無功功率,理論,三相,諧波,電流,分析,檢測 ……………………. ………………. ………………… 山東農(nóng)業(yè)大學 畢 業(yè) 論 文 基于瞬時無功功率理論的三相諧波電流分析與檢測 院 部 機械與電子工程學院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動化3班 屆 次 2015屆________ 學生姓名 錢睿_________ 學 號 20116811_______ 指導教師 劉平_________ 二О一五年六月一日 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 目 錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 1 緒論 1 1.1 課題背景及意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 論文主要內(nèi)容 2 2 諧波與諧波分析 3 2.1 諧波的產(chǎn)生及分布 3 2.2 諧波的危害 4 2.3 電網(wǎng)諧波的相關標準 6 2.4 諧波的抑制 8 3 瞬時無功功率理論及其應用 12 3.1 瞬時無功功率理論定義 12 3.2 αβ坐標系中的瞬時無功功率理論 12 3.3 p-q檢測法 13 3.4 ip—iq檢測法 16 4 仿真分析 17 4.1 基于瞬時無功功率理論的ip-iq檢測法建模 17 4.2 波形分析 21 5 總結(jié) 24 參考文獻 25 致 謝 26 Contents Chinese Abstract Ⅰ English Abstract Ⅱ 1 Introduction 1 1.1 Background and significance of the selected topic 1 1.2 Research of harmonic at home and abroad 1 1.3 Main idea of the paper 2 2 Harmonic and harmonic analysis 3 2.1 Production and distribution of harmonics 3 2.2 Harm of harmonics 4 2.3 The relevant standards for the harmonic of the electric network 6 2.4 Suppression of harmonics 8 3 Instantaneous reactive power theory and its application 12 3.1 Definition of instantaneous reactive power theory 12 3.2 Instantaneous reactive power theory in αβ coordinate system 12 3.3 Detection method of p-q 13 3.4 Detection method of ip—iq 16 4 Simulation analysis 17 4.1 ip-iq detection models based on instantaneous reactive power theory 17 4.2 Waveform analysis 21 5 Conclusion 24 References 25 Acknowledgement 26 基于瞬時無功功率理論的三相諧波電流分析與檢測 作者：錢睿 指導老師：劉平 （山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院 講師） 【摘要】近年來，隨電力電子技術在電力系統(tǒng)中的廣泛應用以及非線性負荷的增加，工業(yè)得到了快速的發(fā)展，但也使公用電網(wǎng)的諧波污染越來越嚴重，導致電能質(zhì)量的下降，使供電、用電的安全、經(jīng)濟性以及居民的生活受到嚴重影響。因此有必要實時準確地測量出電網(wǎng)中的諧波含量，從而進行諧波抑制。目前諧波檢測方法的達數(shù)十種，其中由日本學者赤木泰文提出的“瞬時無功功率理論”的應用最廣泛，包括p-q算法和ip-iq算法。其原理是把三相電路的ia ，ib ，ic的瞬時值轉(zhuǎn)換到另一個坐標系α-β上研究，此法可以在三相電壓對稱且無電壓畸變時準確地測量出基波電流，進而求出三相諧波電流。最后，用MATLAB 7.0中的Simulink軟件搭建電路模型，進行仿真，得出波形。 關鍵詞：諧波 諧波電流檢測 瞬時無功功率理論 MATLAB Ⅰ Research on Harmonic current detection based on Instantaneous Reactive Power Theory in Three-Phase Circuit Author：Qian Rui Supervisor：Liu Ping (Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Lecturer ) Abstract Recently, with the wide application of power electric technology and the non-linear load device used in power systems, industry has been developed rapidly. But the harmonic pollution of the power system is gradually serious and decreased the power quality. The decline of power quality will affect the power supply and the security and economic of electricity. It’s also affect the lives of the population. So, it is necessary to measure the harmonic content accurately and timely. There are many methods of harmonic detection, and the most widely used is based on instantaneous reactive power theory, contains p-q and ip-iq algorithms. The principle is to convert the instantaneous value of the three-phase circuit ia ,ib ,ic to another coordinate system names α-β. This method can be used to detect the fundamental current when the voltage is symmetry and without distortion, then the three-phase harmonic current is obtained. Finally, the simulink in matlab 7.0 is used to build models and analyze the wave. Keywords：Harmonic; the harmonic component current detection; instantaneous reactive power; MATLAB Ⅱ 1 緒論 1.1 課題背景及意義 近幾十年來，隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)技術和水平有了很大的提升，電力電子技術得到了廣泛應用。大量整流裝置，換流裝置，電壓調(diào)整裝置以及部分家用電器等具有波動性或非線性負載的投入使用,產(chǎn)生了大量諧波，使得電力網(wǎng)絡中的諧波污染越來越嚴重，導致電能質(zhì)量下降，嚴重影響到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行。因此，檢測分析電網(wǎng)中的諧波含量，實時掌握電網(wǎng)中諧波的實際情況，進而進行諧波抑制非常重要，對減少危害、保護系統(tǒng)安全具有重大意義。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國早在十一五規(guī)劃綱要中就指出,要通過新技術實現(xiàn)節(jié)能。目前全球?qū)⒐?jié)能的重點放在工業(yè)和交通業(yè)兩個方面,其中工業(yè)是重中之重。而工業(yè)用電,不論在供電還是配電方面都存在大量問題,這些都與諧波有著不可分割的關系。隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，對電能質(zhì)量的要求也越來越高，因此，諧波的分析和治理迫在眉睫，這也完全符合我國的科學發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 1961年，我國開始著手研究諧波，目前已有上百家公司及科研單位從事有關于諧波抑制的研究。諧波處理的主要方法有：盡可能減少諧波源的諧波含量；采用多環(huán)流和PWM技術；利用濾波器進行諧波處理?，F(xiàn)在電網(wǎng)主要選擇控制整流器進行諧波分析，這必須將交流變?yōu)橹绷?，本身就會導致電壓波形發(fā)生嚴重的畸變，產(chǎn)生諧波。 從開始研究諧波至今，我國采用的諧波抑制方法主要分成三種：一是只能吸收固定頻率諧波的傳統(tǒng)無源濾波器，由于容易發(fā)生諧振現(xiàn)象，這種濾波器已經(jīng)很少使用；二是現(xiàn)今應用普遍的有源電力濾波器，這類濾波器需要高技術來實現(xiàn)，難設計、成本高，目前仍處于研究和試驗階段；第三種是混合濾波裝置，將有源濾波與無源濾波技術相結(jié)合，可以達到很好的濾波效果。 德國早在上世紀六十年代就提出電力諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。七十年代以來，諧波帶來的危害越來越明顯，各國紛紛投入大量人力物力從事諧波問題的研究，并組織過多次學術研討會。1969年,Bird和Marsh等人提出可以向電網(wǎng)中輸入三相諧波電流來減少電網(wǎng)中諧波電流的含量,進而改善電流波形,這是有源電力濾波技術的萌芽。1971年,Sasaki和Machida提出了有源電力濾波技術,較為完整的闡述了有源電力濾波器的原理,即通過產(chǎn)生與負載諧波和無功電流大小相等但方向相反的補償電流來抵消負載諧波和無功電流,以達到凈化電網(wǎng)改善供電環(huán)境的目的。由于當時采用線性放大器來產(chǎn)生補償電流,成本高且損耗大,并未獲得實際應用。到1976年,L.Gyugyi等提出用大功率晶體管PWM構成的逆變器來控制有源電力濾波器APF，從而抑制諧波,這引發(fā)了普遍的關注,并且確立了有源電力濾波器APF的完整概念與主電路的拓撲結(jié)構。八十年代后，隨電力電子技術以及PWM技術的飛速發(fā)展，有源濾波器的研究成為熱點。目前設計研究APF技術的基礎理論是三相電路的瞬時無功功率理論，控制技術、信號處理技術以及GTO、IGBT等開關器件的應用也使有源濾波器在實際應用中得到快速發(fā)展。 1.3 論文主要內(nèi)容 本論文具體構成及主要內(nèi)容的安排如下： 第一章“緒論”簡要介紹了所選課題的研究背景、意義以及國內(nèi)外現(xiàn)狀，表明了諧波治理的重要性； 第二章“諧波與諧波分析”，具體介紹了諧波的產(chǎn)生、危害，國內(nèi)外諧波標準以及諧波的抑制； 第三章“瞬時無功功率理論及其應用”，介紹了基于瞬時無功功率理論的p-q算法和ip-iq算法； 第四章“仿真分析”，介紹了利用Simulink軟件建模過程和三相諧波電流波形的檢測； 第五章“總結(jié)”著重介紹了整篇論文結(jié)束之后得出的結(jié)論，指出了不足之處并作出說明。 2 諧波與諧波分析 2.1 諧波的產(chǎn)生與分布 “諧波”一詞源于聲學，定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，頻率為基波頻率的整數(shù)倍?！睆亩x中看出，諧波的次數(shù)必須是正整數(shù)（3次，5次…）。我國規(guī)定的額定頻率為50Hz，二次諧波頻率為100Hz，三次為150Hz；美洲有些地區(qū)基波頻率為60Hz，二次諧波頻率是120Hz，三次是180Hz… 頻率介于工頻諧波之間的、而不是工頻整數(shù)倍的諧波稱為間諧波,主要源于換流器、電弧爐、感應電動機和靜態(tài)變頻器等；次諧波是比工頻基波頻率更低的分量；非基波頻率整數(shù)倍的諧波則稱為分數(shù)諧波。次諧波和分數(shù)諧波會對基波產(chǎn)生調(diào)幅從而影響到家用電器的正常使用。 早在十八世紀，科學家們就開始在物理學上對諧波問題進行了研究，但一直沒有得到進展。直到數(shù)學家傅里葉等人提出并證明了周期函數(shù)能展開成正弦級數(shù)，才有了諧波的數(shù)學分析。上個世紀初在德國，就有人發(fā)現(xiàn)了靜止汞弧變流器的投入使用讓電流、電壓波形產(chǎn)生畸變，此后人們對電力系統(tǒng)的諧波問題產(chǎn)生了廣泛關注。 理想電路中電壓電流都是由頻率恒定且單一的電源提供，當電壓發(fā)生畸變或正弦電壓施加于非線性元件上時，產(chǎn)生的電壓和電流不再是基波頻率，將他們疊加起來就是諧波電壓和電流。用傅里葉級數(shù)分解周期性非正弦波形以后，得到兩種諧波分量，一種是頻率與基波頻率相同的分量，另一種是頻率為基波正整數(shù)倍的正弦波分量。 諧波的基本概念為： uωt=a0+n=1∞(ancosnωt+bnsinnωt) （2-1） 式中： a0=12π02πuωtdωt an=1π02πu(ωt)cosnωtd(ωt) bn=1π02πuωtcosnωtd(ωt) 諧波次數(shù)=諧波頻率/基波頻率的整數(shù)倍。 由上可知，不同次諧波的頻率、相角和幅值都不相同，可以分為奇次諧波和偶次諧波；由于三相系統(tǒng)電路的電壓電流的對稱性，會消除偶數(shù)次諧波，所以電網(wǎng)中只存在奇次諧波。 現(xiàn)代工業(yè)中，導致電力系統(tǒng)中電壓電流波形的畸變主要有兩大因素。第一，R、L、C等非線性元件的投入使用：當電源產(chǎn)生的正弦電壓施加在含非線性元件的電路上時，其電流也會變成非正弦波，流經(jīng)非線性阻抗的電流會產(chǎn)生一定的電壓降，使相應的電壓波形變成非正弦；而非正弦電壓在線性電路中也無疑是產(chǎn)生非正弦電流。第二，電力電子裝置的廣泛使用：整流器，變頻裝置、調(diào)速裝置等電力電子裝置在配電網(wǎng)中經(jīng)常見到,這些負荷的非線性、不平衡性、沖擊性等會嚴重的影響電能質(zhì)量；產(chǎn)生的高次諧波注入電網(wǎng)，使電壓電流波形產(chǎn)生畸變，最終導致電能質(zhì)量的下降。 諧波源指的是能引起諧波的非線性負載。引起諧波的傳統(tǒng)非線性裝置主要有旋轉(zhuǎn)電機，變壓器，電弧爐；現(xiàn)代電力電子技術的非線性裝置包括熒光燈，電源，開關及晶閘管等控制設備。發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)電機主要是在旋轉(zhuǎn)設備的結(jié)構設計上存在問題，導致諧波(如鋸齒波)的產(chǎn)生；當其鐵芯飽和的時候也會產(chǎn)生低次諧波；由于旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)生的諧波含量相對較少，設計技術水平也在不斷提高，所以其諧波問題已逐步得到改善；變壓器在暫態(tài)擾動時產(chǎn)生大量高次諧波，會使三次和五次電壓波形發(fā)生畸變，其中畸變數(shù)量最多的是三次諧波；電弧爐起弧延時和電弧不穩(wěn)定也會產(chǎn)生諧波；熒光燈的非線性伏安特性使它能產(chǎn)生大量電流諧波，最主要的也是三次諧波；整流器、變流器等電力電子裝置在運行吸收無功的同時會產(chǎn)生大量諧波。 隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)使用各種不同的電氣設備，使得諧波分布嚴重不均。下表2-1是諧波源在不同行業(yè)的分布調(diào)查，可以看出其中樓宇產(chǎn)生的諧波最多，主要由家用電器和辦公設備產(chǎn)生；樓宇、鐵路、冶金三個行業(yè)占有超過70%的比例，是有需要諧波治理的重點領域。 表2-1 諧波源的行業(yè)分布 諧波源行業(yè)分布 樓宇 鐵路 冶金 機械制造 公共事業(yè) 化學 其他制造業(yè) 占有比例 41.2% 17% 15.5% 8% 5% 4.4% 4% 2.2 諧波的危害 高次諧波對公用電力網(wǎng)絡也是一種污染。理想電力系統(tǒng)提供的電壓具有單一、恒定的頻率及規(guī)定的幅值，由于諧波電壓與電流的產(chǎn)生，使用電設備所處的電網(wǎng)環(huán)境越來越惡劣，并且嚴重威脅到公用電網(wǎng)以外的系統(tǒng)(如通信系統(tǒng)等)。近幾十年來，電力電子設備的普及使公用電網(wǎng)的諧波污染越來越嚴重，由諧波引起的故障和事故時有發(fā)生，不但給社會帶來很大的經(jīng)濟損失，甚至對人身安全也構成了極大的威脅，其嚴重性引起人們的高度重視。研究與分析諧波的危害有非常重要的意義，不但可以得出其所造成危害的原因，找到抑制危害的方法，還可以了解各種裝置對諧波的承受能力，制定出諧波限制標準。電網(wǎng)中諧波帶來的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）旋轉(zhuǎn)電機(電動機、發(fā)電機)容易發(fā)熱，產(chǎn)生附加損耗，還會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩噪聲。當由整流器供電時，旋轉(zhuǎn)電機還會有明顯的電壓畸變。 （2）使無功補償電容器機組產(chǎn)生諧振或諧波電流放大；由于過電壓或者過負荷等現(xiàn)象的存在可能導致電容器損壞，還有可能造成電力電纜過負荷，甚至過電壓擊穿；國內(nèi)很多電力系統(tǒng)或用戶都遇到過電容器機組無法投入運行，以至于大批量電容器損壞的事故。 （3）對供電網(wǎng)絡和輸電線路也會產(chǎn)生不利影響，增加網(wǎng)絡損耗；當有諧振和放大現(xiàn)象的存在時，損耗更加嚴重。 （4）電流波形畸變會嚴重影響斷路器容量，電流畸變存在的時候，在過零時會有很大的di?dt，這比電流為正弦波時的開斷更困難。由于開斷時間的延長，切除故障電流的時間也會相應延長，容易引起快速重合閘后的再燃。熔斷器的熔斷機理是發(fā)熱，對諧波過電流會引起集膚效應，產(chǎn)生大量熱量，使熔斷器異常敏感。 （5）對變壓器產(chǎn)生的影響；負荷電流的諧波進入變壓器，產(chǎn)生附加損耗而發(fā)熱，使變壓器的帶負載能力隨之會降低。在系統(tǒng)電容和變壓器電感之間，也可能在諧波頻率點發(fā)生諧振以及周期性的溫度變化，引起變壓器鐵芯振動，引起附加損耗產(chǎn)生熱量，這也會使變壓器的帶負載能力降低。 （6）對電力電子設備的影響；許多個過零問題是諧波發(fā)生畸變帶來的結(jié)果，這些問題會影響甚至使設備不能運行，其中最明顯的莫過于數(shù)字時鐘。應用過零原理的任何一個同步元件都應該考慮到此問題的影響；半導體元器件就常常在電壓過零點投入運行，以降低涌流和電磁干擾，但屢次過零使元件的投入時間發(fā)生改變，影響設備的正常運轉(zhuǎn)。電力電子中電源用來維持濾波電容器充電的是波形的峰值，但諧波的畸變會改變波形的峰值，使其提高或削平。最后，由于電源運行時輸入電壓或高或低，即使在均方根輸入電壓正常的情況下設備運行也有可能遭到破壞。有時候即使不過零，諧波也能影響到過零敏感的電力電子設備，破壞設備的運行。 （7）對電氣照明的影響；白熾燈的使用壽命會受到電壓波形畸變的影響。例如運行電壓均方根畸變使其高于額定值時，白熾燈的壽命隨著燈絲溫度的升高降低。 （8）對繼電保護裝置和自控裝置的干擾或產(chǎn)生誤動和拒動；一些衰減時間很長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流產(chǎn)生的諧波分量，由于含量高，幅值較大，更易于引起繼電保護裝置誤判而導致誤動作。 （9）對電氣測量和儀表的影響；計量電能用的感應型電能表容易受到諧波的影響，引起誤差的因素主要有頻率特性和非線性特性。而現(xiàn)代均方根值的電流表和電壓表則不易受到波形畸變的影響。 （10）對通信系統(tǒng)的干擾；諧波會通過靜電感應和電磁波對音頻通訊進行干擾，頻率在200~5000Hz之間的諧波就會導致通信噪音，降低通信質(zhì)量；1000Hz以上的諧波會影響電話回路，導致控制信號誤動，以至于信號丟失，通訊系統(tǒng)將無法正常工作。 2.3 電網(wǎng)諧波的相關標準 鑒于電力系統(tǒng)中的諧波電壓、電流對公用電網(wǎng)和用電設備都構成了及大危害，人們對諧波問題越來越重視，制定了一系列標準來限制電壓、電流諧波流入電網(wǎng)。為保證我國電能質(zhì)量，1984年原水利電力部制定了SD126-1984《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》；到1993年，國家技術監(jiān)督局頒布了GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》，此標準從1994年3月1日起施行；又在1998年通過了GB17625.1-1998《低壓電器及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每項輸入電流不大于16A)》，此項標準采用IEC-61000-3-2中的相關規(guī)定，只是在名稱和個別內(nèi)容上做了適當修改。上述標準的內(nèi)容主要包含以下四個方面： （1）不同諧波源諧波的疊加計算 電力網(wǎng)絡中的諧波電壓與諧波電流往往由多個諧波源共同作用產(chǎn)生，假設兩個諧波源的同次諧波電流 Ih1和 Ih2在同一條線路上進行疊加，當相位角 θh 已知，根據(jù)余弦定理： Ih=Ih12+Ih22+2Ih1Ih2cosθh （2-2） 但實際電力網(wǎng)中同次諧波電流的相位關系受很多因素的影響，因此具有一定的隨機性，合成的同次諧波的幅值具有不確定性。假定主要諧波電流的相位差角為正態(tài)分布，再結(jié)合一些系統(tǒng)潮流計算的統(tǒng)計結(jié)果，考慮到相合成的諧波源一般處于鄰近位置，導出相位角不確定時的計算公式: Ih=Ih12+Ih22+KhIh1Ih2 （2-3） 上式中的 Kh 系數(shù)按下表選取。 表2-2 系數(shù)k h的取值 h 3 5 7 11 13 >13偶次 kh 1.62 1.28 0.72 0.18 0.08 0 兩個諧波源在同一個節(jié)點上引起同次的諧波電壓的疊加公式和式（2-2）或（2-3）類同。國際大電網(wǎng)會議的合成計算式為 Ih=(Ih1α+Ih2α）1α （2-4） 式中ａ系數(shù)按表2-3選取。 表2-3 系數(shù)a的取值 h 3 5 7 11 13 >13 a 1 1 1 1.4 1.4 2 對比式（2-3）和（2-4）可看出，對13次以上的諧波，結(jié)果是一樣的；對13次以下的主要次諧波，利用式（2-3）計算出來的值比CIGRE36-05的推薦值的計算結(jié)果要小一些。這樣會使對用戶諧波的限制比較嚴格，國際中并沒有推薦。 （2）低壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的允許值 低壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率是確定中壓以及高壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的基礎。按國外規(guī)定的諧波標準，低壓電網(wǎng)電壓諧波的總畸變率一般為5%。 （3）對10~110KV各級電網(wǎng)電壓總諧波畸變率的限制 典型供電系統(tǒng)中，考慮到電網(wǎng)中的諧波傳遞，低壓電網(wǎng)電壓的總諧波畸變率為5%時，各級電壓總諧波畸變率見表2-4。 表2-4 公用電網(wǎng)諧波標準 電網(wǎng)標稱電壓 電壓總畸變率 各次諧波電壓含有率 % KV % 奇次 偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6 10 4.0 3.2 1.6 35 3.0 2.4 1.2 66 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 國際上諧波電壓是以相電壓的含量為準,實際測量值表明:相電壓的諧波含量往往比線電壓的諧波含量要高，特別是在中性點絕緣系統(tǒng)中。公用電網(wǎng)對不同電壓等級允許的電壓諧波畸變率也是不同的，隨著系統(tǒng)電壓等級的提高，對諧波的限制越來越嚴格。國家標準中對220KV的電網(wǎng)沒有提出有關諧波電壓的限制，但是對220KV供電用戶仍然要限制諧波電流。 （4）用戶注入電力網(wǎng)絡的諧波電流允許值 分配給用戶的諧波電流允許值應該保證各等級電網(wǎng)的諧波點在限制范圍內(nèi)，根據(jù)國家標準規(guī)定，公用電網(wǎng)具有公共連接點，由該點輸入的諧波限值為。 表2-5 諧波電壓與諧波電流的限值關系 標準 基準短 諧波次數(shù)及諧波電流允許值/A 電壓 路容量 KV MV/A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 21 6 100 43 3 21 34 14 24 11 11 8.5 10 100 26 2 13 20 8.5 1 6.4 6.8 5.1 35 250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 66 500 16 13 8.1 13 5.4 9.1 4.1 4.3 3.3 110 750 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.0 2.4 2.4 諧波的抑制 諧波抑制既可以提高電能質(zhì)量，也是保證供電和用電設備安全可靠運行的重要方法之一。電力系統(tǒng)的諧波治理是指在諧波產(chǎn)生之前盡量減少諧波源諧波含量或者是對已有的諧波進行抑制，在實踐中通常會采用治理諧波源本身即限制裝置內(nèi)部產(chǎn)生諧波(設計不產(chǎn)生諧波的設備)或者是在外部加裝諧波濾波的裝置(如在電力系統(tǒng)中裝LC型濾波器，或在裝置電源側(cè)裝有源電力濾波裝置)這兩種方法來解決。主要的方式如表2-6。 表2-6 諧波治理的主要措施 受端治理 主動治理 被動治理 選擇合理的供電 增加變流裝置的相數(shù)和脈沖數(shù) 無源濾波器 治 避免電容對諧波放大 改變諧波源的配置或工作方式 有源濾波器 理 提高設備抗諧波干擾能力 采用多重化技術 混合型有源濾波器 方 改善諧波保護性能 諧波疊加注入 式 采用PWM技術 設計或采用高功率因數(shù)變流器 具體來說 （1）減少諧波源諧波含量 這就是所謂的主動型方法；在諧波產(chǎn)生前盡量減小可能產(chǎn)生的諧波電流大小，以提高電能質(zhì)量?？赏ㄟ^一定方法最大限度的減小甚至是避免諧波源產(chǎn)生諧波： ①增加整流器脈動數(shù) 一般來說，諧波電流的幅值隨著諧波次數(shù)的增大而減小。整流器的相數(shù)越高，諧波的最小次數(shù)就越大，從而諧波電流的幅值會越小，整流器產(chǎn)生的諧波也會減少(如使用12脈波整流器替代6脈波整流器)。 ②脈寬調(diào)制技術（PWM） 在所需頻率的范圍內(nèi)，脈寬調(diào)制可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為等幅值但不等寬度的交流電壓脈沖，能在很大范圍內(nèi)抑制諧波的產(chǎn)生。 ③三相整流變壓器采用Y/△或△/Y接線 對同一段母線供電兩臺或兩臺以上的整流變壓器，可以把他們的一次繞組分別接成Y型或者△型，這樣，內(nèi)部5次和7次諧波會相互抵消，這時頻率較高的11次、13次諧波電流的含量相對較多，但它們的諧波幅值相對較小，因此此法可以減小諧波。 （2）諧波產(chǎn)生以后吸收諧波電流 這種方法針對已經(jīng)產(chǎn)生的諧波，是抑制已產(chǎn)生的諧波的有效措施，也是應用最廣泛的電力系統(tǒng)諧波抑制方法。主要有以下幾種方法: ①無源濾波器（PPF） 無源濾波器（Passive Power Filter簡稱PPF） 即是由電阻R、電感L、電容C組成的諧振回路。其原理為：當某次諧波電流的頻率與回路的諧振頻率相同的時候，該頻率的諧波電流即可被消除，進而可阻止該次諧波對電力網(wǎng)產(chǎn)生危害。無源濾波器有結(jié)構簡單，維護方便，投資少等優(yōu)點，但是它的設計參數(shù)卻依賴諧振頻率和電網(wǎng)頻率，并且只能對特定頻率的諧波進行抑制，對元件參數(shù)的依賴性較大，與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振時會使諧波放大。無源濾波器的體積較大，產(chǎn)生的損耗也不容忽視。 ②有源電力濾波器 (APF) 由于無源濾波器存在的很難克服的問題，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，有源電力濾波器(Active Power Filter簡稱APF)隨之被提出。經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，APF技術目前已經(jīng)取得了很大的進步，基本可以彌補了PPF技術的缺陷，得到了比無源濾波器更適用的補償特性。表2-7為無源濾波器與有源電力濾波器的性能對比。 表2-7 無源電力濾波器與有源電力濾波器性能對比 方式 無源濾波器 有源濾波器 諧波處理能力 每次諧波需要單獨設計一個單 在一定范圍內(nèi)主動響應 諧振濾波器 同時處理多次諧波 系統(tǒng)或回路阻抗變化的影響 系統(tǒng)阻抗變化的時候存在放大、 不受影響 共振的危險 負載增加的影響 可能因超載而損壞 不會損壞，存在濾波能力不足 對負載變化響應速度 較慢（接觸器投切） 很快，不大于10ms 適用范圍 諧波大小及成分穩(wěn)定， 諧波成分和大小動態(tài)變 諧波成分簡單 化，成分豐富 體積、重量 大、重 小、輕 成本 高 很低 與PPF相比較，APF具有以下幾個優(yōu)點： a 對功率元件工作范圍內(nèi)的各次諧波都有比較好的濾波效果； b 系統(tǒng)阻抗和頻率的變化不會影響到濾波特性； c 不與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振現(xiàn)象,并且能夠有效抑制系統(tǒng)和無源濾波器之間的諧振； d 負載的諧波電流較大時仍可以繼續(xù)運行，不存在過載現(xiàn)象。 有源電力濾波器能在動態(tài)過程中抑制諧波，并且具有無功補償功能。隨著電力系統(tǒng)容量不斷地提高，有源電力濾波器不僅僅能夠抑制諧波，還能夠改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。 ③采取相應的措施防止并聯(lián)電容器組對諧波放大 為了避免諧波被并聯(lián)電容器放大，可采取的措施有:運用串聯(lián)電抗器；限制電容器組投入的容量；將電容器組某些支路改裝成濾波器。 ④加裝靜止無功補償裝置 電力機車、電弧爐、卷揚機等快速變化的諧波源會對電力系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴重影響。包括:諧波的產(chǎn)生；使系統(tǒng)三相電壓不平衡；造成供電電壓波動或閃變。在諧波源的位置并聯(lián)安裝靜止無功補償裝置，不但能減小波動的諧波量，還能抑制電壓波動、閃變和三相不平衡等問題，有效地提高電能質(zhì)量。 雖然電力系統(tǒng)中不可避免會有諧波的產(chǎn)生，但還可以通過采取措施如供電系統(tǒng)的短路容量的增加；供電系統(tǒng)電壓等級的提高；使三相負載盡量保持平衡等來提高電網(wǎng)抵抗諧波的能力，達到改善電力環(huán)境的目的。 3 瞬時無功功率理論及其應用 3.1 瞬時無功功率理論定義 目前，諧波檢測方法達數(shù)十種，都有各自的優(yōu)點和缺點，很多學者在對這些檢測方法進行研究和分析。諧波檢測分為時域和頻域兩個領域，不同理論可形成不同的檢測方法，目前主要有：模擬濾波器檢測法；基于傅里葉分析的檢測法；基于瞬時無功功率理論的檢測法；基于神經(jīng)網(wǎng)絡的檢測法；基于小波分析的檢測法。各種檢測方法中基于瞬時無功理論的檢測法具有延時小，實時性強，能同時檢測出諧波和無功電流等優(yōu)點，本文主要介紹這種基于瞬時無功功率理論的ip—iq檢測法。 傳統(tǒng)功率是在平均值的基礎上進行定義的，當電路中電流和電壓波形都是正弦波時，定義有功和無功功率的概念非常清晰。但是，當電路中有非線性負載存在或三相電路不對稱，因為含有諧波使傳統(tǒng)功率定義無法準確描述。為了計算這些諧波，需要對功率理論重新定義。目前存在三大類有關的功率理論：第一類適用于諧波和無功功率的理解標識；第二類適用于無功補償和諧波抑制；第三類則適用于儀表儀器的測量以及電能管理和收費。 日本學者赤木泰文(H. Akagi)在1984年提出基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法（Instantaneous Reactive Power Theory）簡稱為p-q法，系統(tǒng)的定義了瞬時有功功率和瞬時無功功率等概念，打破了以平均值作為基礎的傳統(tǒng)定義，為實現(xiàn)無功、諧波的實時補償提供了理論依據(jù)，這種方法除了適用正弦波形，還可用于非正弦波與暫態(tài)過程中。其核心思想為，根據(jù)已定義瞬時功率的波動部分為諧波電流與系統(tǒng)電壓的作用結(jié)果這一特點來提取諧波分量，成功的解決了諧波和無功的瞬時檢測。 3.2 αβ坐標系中的瞬時無功功率理論 αβ變換的原理：如果在空間上相差120度的同步電機的定子a b c三項繞組中注入時間上也相差120度的三相正弦交流電，就會在空間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場的角速度是ω；如果將時間上相差90度的兩相平衡的交流電通過定子空間相差90度的αβ兩相繞組時，建立的旋轉(zhuǎn)磁場和a b c三相繞組等效，所以可以用αβ兩相繞組來替代a b c三相繞組。 α a F ω β c b 圖3-1 αβ等值繞組的相對位置 如圖3-1旋轉(zhuǎn)磁場的角速度為ω，圖中使α相繞組軸線與a相繞組軸線相重合，而β相繞組軸線則超前α相繞組軸線90度，就可以達到為簡化三-兩相變化(C32)關系目的。 3．3 p-q檢測法 將三相坐標里的電壓電流矢量變換到α-β坐標系下，在新坐標下求出有功和無功功率，然后通過逆變換求出三相電路中的諧波與無功電流，p-q和ip-iq檢測法是這種方法的兩種應用。 假設研究的是三相三線制系統(tǒng)，三相電流、三相電壓瞬時值分別由ia，ib，ic與ua，ub，uc表示。三相三線制系統(tǒng)滿足ia+ib+ic=0，ua+ub+uc=0，所以實際上電流、電壓信號中只有兩項是相互獨立的?？梢詫⑷嚯娏麟妷鹤儞Q為正交的α-β坐標系中的向量，令， C32=231-12-12032-32 (3-1) 則三相電流、電壓信號可變換為α-β坐標系中的向量， Fi=iαiβ=Cαβiaibic,Fu1=uαuβ=Cαβuaubuc (3-2)分別對有功功率p和無功功率q定義如下： pq=Fu1·FiFu1*Fi=uαuβuβuαiαiβ (3-3)其中的*為二維空間的向量交叉運算，定義為， uαuβ*iαiβ=uαiβ-uβiα (3-4) 現(xiàn)假定系統(tǒng)三相電壓和電流均為基波正序正弦信號時，三相電壓電流分別為： uaubuc=EmsinωtEmsin?(ωt-2π3)Emsin?(ωt+2π3) (3-5) iaibic=Imsin?(ωt-φ)Imsin?(ωt-φ-2π3)Imsin?(sin-φ+2π3) (3-6) 對應的α-β坐標系里的向量為： Fu1=uαuβ=32Emsinωt-cosωt (3-7) 得到的瞬時有功功率和無功功率為 p=Fu1·Fi=32EmImcosφ,p=Fu1*Fi=32EmImsinφ (3-9) 令E=Em2、I=Im2為相電壓和相電流的有效值，得到， p=3EIcosφ,q=3EIsinφ (3-10) 由(3-10)可看出,在三相電壓和三相電流均為基波正序時，按上述公式計算出來的瞬時有功功率p和無功功率q中只含有直流分量，與通常計算出的三相有功和無功功率結(jié)果一致。這里計算有功和無功功率時只用到一個時刻的三相電壓與電流數(shù)值，因而稱作瞬時有功和瞬時無功功率，大大提高了計算速度。 假設三相系統(tǒng)電壓是純基波正序，但三相電流中除基波正序電流以外還有基波負序及諧波電流，則用p-q算法得出的瞬時有功功率和無功功率中除直流分量外還有諧波分量，即 p=Fu1·Fi=-p1+~p1q=Fu1*Fi=-q1+~q1 (3-11) 若對瞬時有功和無功功率進行低通濾波，濾除諧波分量，得到瞬時有功和無功功率的直流分量-p和-q。令直流功率分量為 F-p-q=-p1-q1 (3-12) 利用式（3-13）可以得出代表基波正序電流的分量， iαf1iβf1=uαuβ-uβuα-1-p1-q1=1uα2+uβ2uαuβuβuα-p1-q1=Fu1-2Fu1·F-p-qFu1*F-p-q (3-13) 再反變換得到三相電流的基波正序分量， iaf1ibf2icf1=C32Tiαf1iβf1=Fu12C32TFu1·F-p-q-Fu1*F-p-q (3-14) 由于三相電流中除含有基波正序電流分量和諧波電流分量以外還有基波負序電流分量，因此，要檢測出諧波電流分量的話還要求出基波負序電流分量。構造出負序電壓分量： Fu2=uαuβ=C32uaubuc=32Emsinωtcosωt (3-15) 利用Fu2同樣算出瞬時有功和無功功率： p=Fu2·Fi=-p2+~p2q=Fu2*Fi=-q2+~q2 (3-16) 所以，若對瞬時有功和無功功率進行低通濾波，消除諧波分量，得到瞬時有功和無功功率的直流分量-p和-q ，令直流分量向量為 F-p-q2=-p2--q2 (3-17) 利用式（3-18）可求出代表基波負序電流的分量： iαf2iβf2=uαuβ-uβuα-1-p2-q2=1uα2+uβ2uαuβuβuα-p2-q2=Fu1-2Fu2·F-p-qFu2*F-p-q (3-18) 再進行反變換，得到三相電流中基波負序分量， iaf2ibf2icf2=C32Tiαf2iβf2=Fu22C32TFu2·F-p-q2-Fu2*F-p-q2 (3-19) 因此求出三相電流中的諧波分量 iahibhich=iaibic-iaf1ibf1icf1-iaf2ibf2icf2 (3-20) 令上式-q1=0，可得到基波有功電流分量，與被檢測的電流相減即可得到同時進行諧波補償和無功補償?shù)难a償分量。由于是通過p、q求出所需的補償分量，因而成為p-q法。p-q法是根據(jù)定義求出瞬時有功和無功功率，再利用低通濾波器得到直流分量-p，-q，最后反變換得到所需的三相基波電流。p-q算法具有計算簡單，實時性好等優(yōu)點，但當電源電壓產(chǎn)生畸變時無法準確地檢測出基波電流分量，p、q經(jīng)低通濾波后的直流分量中還含有電壓電流中同次諧波產(chǎn)生的電流分量。 3.4 ip—iq檢測法 以瞬時無功功率理論為基礎，可得到瞬時有功電流i p和瞬時無功電流i q。無論電源電壓或負載電流是否產(chǎn)生畸變，基于瞬時無功功率理論的i p-i q法均能準確的測量出基波電流有功分量，基波電流無功分量以及諧波電流分量。 該方法需用到與a相電壓u a同相位的正弦信號sin ω t和對應的- cos ω t，它們由一個鎖相環(huán)PLL(鎖定相位的環(huán)路:利用輸入的參考信號來控制內(nèi)部震蕩信號的頻率與相位，實現(xiàn)輸出信號對輸入信號頻率的自動跟蹤)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到，構成了C C=sinωt-cosωt-cosωt-sinωt 因為三相三線制系統(tǒng)中只有兩項相互獨立，所以只要檢測兩相電流， ipiq=sinωt-cosωt-cosωt-sinωtiαiβ=CC32iaibic (3-21) 經(jīng)低通濾波可得到ip ，iq 的直流分量-ip，-iq，對應于三相系統(tǒng)中的基波正序電流分量。ip，iq 是由ia ，ib，ic產(chǎn)生的，所以可用于計算iaf，ibf，icf， iafibficf=C32C-ip-iq=sinωt-cosωt-cosωt-sinωt-ip-iq (3-22) iaf ，ibf ，icf與ia ，ib ，c相減就是所需諧波分量iah，ibh，ich。這就是所謂的i p-i q檢測法。此方法沒有直接用到三相電壓，而是用到和三相電壓相同步的三相對稱正弦量和余弦量。運算中沒有用可能產(chǎn)生畸變的諧波電壓，故檢測結(jié)果不受系統(tǒng)電壓的影響，準確度較高。 4 仿真分析 利用Matlab 7.0中的Simulink軟件建立仿真模型,仿真所需要的電子元件都是源于Commonly Used Blocks和SimPowerSystems模塊。 Simulink中含