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1、电力系统谐波测量摘 要近年来，随着现代工业的迅速发展，电力电子器件的应用日益广泛，随之带来的谐波污染也越来越严重，已经严重的影响到了电能质量，而且对各种用电设备的正常运行带来了消极影响。谐波测量是谐波问题研究的主要方面，实时、准确地检测电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况对于防止谐波的危害保障电网安全运行是十分必要的本文首先阐述了电力系统谐波产生的原因、谐波危害等以及电力系统各种谐波分析与检测方法。简单对傅立叶变换的谐波检测法、瞬时无功功率理论、神经网络的优缺点进行比较，为进一步的基于瞬时无功功率谐波分析与检测法研究做铺垫与参照作用。本文研究重点首先根据瞬时无功功率理论，比较了两种谐
2、波电流的检测方法法和法。本文主要运用算法，其方法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，将原始电流信号进行按不同频带分离，进而完成基波与谐波的分离达到对电网中的谐波电流进行检测的功能。文章最后基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，并借助MATLAB进行了仿真，最后给出仿真结果，验证了该方法的有效性和结论的正确性。关键字：电力系统；谐波；瞬时无功功率理论；MATLAB仿真ABSTRACTThe underground Shield is a special tunnel digging machine which integrates mechanics,electrics,hy
3、draulics,and information technology,With the rapid step of city construct,many Shields work at one time,which need high demand of operation reliability. The contents of this paper is to shield the state of monitoring equipment.Shield running information collected by status monitor system are saved i
4、n the database with the type of time series. The database of the ring data to the database failure that exist in time series data for similarity comparison, view the sequence of the match,So the time series similarity-pattern to modeling is applied to realize the Shield fault forecast. In this paper
5、, the use of Euclidean distance to calculate the similarity between sequences.Finally,the Shield fault diagnosis system based on above theories is come true with the Visual Studio 2008 development environment. Testing in the state there are many issues worth exploring in this paper is an attempt to
6、study, work remains to be further in-depth.Keywords: Underground Shield; Time series similarity; condition monitoring目 录1绪 论11.1谐波检测的研究背景及意义11.2国内外电力谐波检测与分析方法研究现状及发展21.3谐波抑制技术的发展现状51.4本文的主要工作62电力谐波理论介绍82.1电力谐波的基本概念82.1.1谐波的表示方法82.1.2谐波的特征量92.2电力谐波产生的原因102.2.1发电源质量不高产生谐波112.2.2用电设备产生谐波112.3电力谐波的危害122
7、.4电力谐波的抑制措施162.5本章小结193电力谐波电流的检测与分析方法203.1基于傅立叶变换的谐波检测与分析方法203.1.1傅立叶级数的三角函数和指数表示形式203.1.2离散傅立叶变换223.1.3快速傅立叶变换223.1.4减小泄漏和其它误差的快速傅立叶变换改进算法243.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测与分析方法253.2.1传统的功率理论263.2.2三相瞬时无功功率理论273.2.3谐波电流的检测方法333.3基于算法的谐波电流检测方法的实现373.3.1正余弦函数的产生373.3.2数字低通滤波器的设计373.4一种改进的谐波和基波检测方法383.5本章小结414仿真结论4
8、34.1MATLAB简介434.2仿真模型的建立444.3仿真结果45结 论47致 谢48参考文献49附录A 英文资料及翻译50I1 绪 论1.1 谐波检测的研究背景及意义电力系统的谐波问题早在20世纪20、30年代就引起了人们的注意，当时在德国，使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.ReaD发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，E.W.Kmbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电子技术的飞速发展，电力电子装置在电力系统、工业、交通及家
9、庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危益严重。谐波的研究具有重要意义，首先是谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。其次，谐波研究的意义还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护己成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的抑制也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。在国际上，许多国家都先后对电网中的电压畸变，各次谐波电压、谐波电流的数值、测量方法及非线性负
10、荷的管理等制定了相应规定来加以严格限制。我国过去对电网中的谐波问题未加重视和研究。但是近年来由于电气化铁路的大量出现，以及可控硅整流装置的广泛应用，不少电网中的高次谐波含量的数值已大大超过了国际上公认的标准。据我国电力科学院系统研究所对西南、西北、华中、华北等地区重点电网测试的结果来看，我国电网的谐波污染已很严重。为了更好的采取措施对电网谐波含量加以限制，必须具有相应的监测手段。为此，除了引进发达国家研制的谐波监测仪器外，还应当研究符合我国电网现状的谐波分析方案，以提高电网谐波监测分析水平，这对于抑制高次谐波含量是十分必要和有价值的。最近十几年间，对电力系统谐波问题的研究，己经超出了电力系统自
11、身的研究范围。渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、通信理论、电力电子学、网络理论和非线性系统理论等其它学术领城。同时，电力系统谐波问题己经受到了世界各国经济、行政管理部门的重视，不少国家已先后制定了限制电力系统谐波的标准，其中也包括一些限制和管理措施。如许多国家相继颁发了限制带有电子控制器件的家用电器和低压电器产生谐波的标准。国际电工委员会IEC)、电气和电子工程师协会()等国际学术机构，也成立了专门的电力系统谐波工作组，在世界范围开展包括制定标准和定期召开国际学术会议等项内容的工作。尽管近十几年来，对电力系统谐波问题的研究取得了很大进展。在学术上还有许多问题需要人们去研究解决、在解决这
12、些问题的同时，才能真正谈其制定合适的法规或标准来限制和管理电力系统的谐波，并对其进行有效的抑制，这些问题可归纳为：如何从器件(如：变压器和其它电磁路件、换流器、特别是各种电力电子器件等)的角度出发去分析和理解谐波产生的原因：如何利用先进的信号分析设备、数字仪器、智能仪表等对谐波的幅值和相位进行准确的测量；如何利用网络分析方法对谐波分布进行分析，如何建立模型和进行数字仿真；如何从谐波角度去衡量电能的质量。通过对这几方面问题的研究，将会导致新技术乃至新的边缘分支学科地诞生。1.2 国内外电力谐波检测与分析方法研究现状及发展 谐波检测方法是谐波检测的核心环节，也是各文献着重论述和相互区别所在。谐波测
13、量一般包括三个步骤：信号预处理；谐波幅值和相位测量；结果再处理.其中信号预处理和结果再处理是辅助算法，为谐波测量服务，以优化测量性能，达到实际应用的目的。谐波测量方法虽然在算法设计和现实中占据主导地位，但辅助算法在很大程度上决定了其能否预期执行和装置的可靠性，故不能忽视对它的设计.实践表明，获得一个时滞性小，去噪声能力强，同时为后续分析提供高精度谐波特征的辅助算法并不容易。辅助算法的选择主要取决于以下因素：实际输入信号的动态特性与所要求的理想信号符合程度；数据处理性能；给定的时间响应和精度要求；软硬件实现约束条件。目前国内外谐波检测与分析方法可分为：1 采用模拟带通(或带阻)滤波器测量谐波最早
14、的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法的优点是结构简单，造价低，输出阻抗低，结果易于控制.该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。2 基于傅立叶变换的谐波检测与分析随着计算机和微电子技术的发展，基于傅立叶变换的谐波检测是当今应用最多也是最广的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成
15、。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此方法测量谐波精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间延时，检测结果实际是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。而且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量精度的要求，必须对算法进行改进，以达到要求值。3 基于瞬时无功功率的谐波检测与分析1989年，日本学者H.Akagi等人提出瞬时无功功率理论，根据此理论可以得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，将其分解为交流和直流，其交流部分对应于谐波电流，由此可以计算谐波分量。基法、法能够准确测量对称的三相三线制电路谐波值。它不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效；而在电网电压畸变时，使用此法测量谐波存在较大的误差。由于此理论基于三相三线制电路，必须首先构建三相电路才能进行谐波测量。这两种方法的优点是
