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1、-1 引言1.1 问题的提出随着电气行业的不断开展，人们对于用电质量的要求也越来越高。早在电力系统运气初期，人们就将电力系统中电压、频率的偏离标称值的大小作为检测电能质量的主要指标。但是仅仅以电压频率的偏差作为衡量标准已经无法满足如今科技进步的步伐，单靠电压与频率的偏差早以缺乏以满足用户对电能质量的要求；其中，谐波作为被公认的电力系统的公害之一，也成为衡量电能质量的一大重要参数。与此同时，如何有效的检测也成为有效治理前一道必不可少的工序。本文将对基于瞬时无功功率理论的谐波检测进展相应的分析，电路设计及仿真验证。1.1.1 谐波产生的原因谐波是相对于根底正弦波而言的，我们通常认为电网稳态的供电电
2、压波形为工频正弦波形，既频率为50HZ60HZ理想的正弦波。但其毕竟只是一种理想状态下的参数波形，由于电网中非线形负荷的存在，电网电压加载在非线形负荷的电流波形往往会发生一定程度的畸变，而此畸变后得到的非正弦电流在电网阻抗上产生的压降同时会使电压波形也发生或多或少的畸变。理想正弦电压波形可表示为：1-1其中U电压有效值；初相角;角频率，；1-2f 频率；T周期；对于周期的非正弦电压,一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数： (1-3)式中 (1-4) (1-5) (1-6)上式中，频率为1/T的分量称为几波，频率为大于1整数波基波频率的分量即为谐波。由于系统中流过非线性设备和加载其
3、上的电压不成比例关系，使各次谐波电流产生了不同的畸变，从而使流过设备电流相应发生畸变，即出现谐波畸变的问题。以下图以方波为例，畸变的方波电亚波形可以分成各次谐波与基波的合成波形，如图1所示：图表1方波与其分解所得的各次谐波波形谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流及谐波电压的存在，对公用电网的电能质量的影响巨大，其具体表现在设备、传输、及通信三个个方面：（1） 由于串、并联谐振引起的过电压、过电流、机械谐振等，会引起系统设备，如电机、变压器、电容器等的严重发热，增大损耗；同时，过大的过电压、过电流会使电机、变压器、电缆等绝缘老化，降低使用寿命；对
4、于敏感的电子元件如晶闸管等，过大的过电压、过电流会引起设备的发热击穿；机械谐振有时甚至会使电机轴发生扭振，危及设备平安。（2） 由于谐波对公用电网中的器件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，而谐波引起的公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，这就使上述的危害大大增加，甚至引起严重事故如火灾；谐波还会导致继电保护和自动装置的误操作，并使电气测量仪表计量不准确。（3） 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量；重则导致信息丧失，使通信系统无法正常工作，甚至使计算机系统失效。1.2 国内外研究的现状电力系统中的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起
5、人们的注意，大量的学者在谐波问题上投入了不少精力。1945年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开展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，ar在其著作中对此进展了总结，70年代以来，由于电力电子技术的飞速开展，各种电力电子装置在电力系统行业、交通及家庭的因公日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上招考了屡次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。我国对谐波问题的研究起步较晚。1984年，水利电力部公布了SD126-198
6、4?电力系统谐波管理暂行规定?，推动了我国谐波研究工作的进展，并于1994年3月正式实施，使我国谐波管理工作逐渐科学化、标准化和法制化。同一期间，吴竞昌等人1988年出版的?电力系统谐波?一书时我国有关谐波问题较有影响的著作，夏道止等1994年出版的?高压直流输电系统的谐波分析及滤波?时近年出版的代表性著作，此外，唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了J.Arrillaga等的?电力系统谐波?一书，在国内也有较大影响。今年来，国内外不断有谐波问题研究的各类专著与教材出版，对谐波知识的普及、深入研究与实际谐波问题的分析与治理都具有重要的参考意义。电力系统治理谐波的现状分析由于谐波的危害越来越影响人
7、们的日常生活及工业生产，在前人对于谐波认识的根底上，人们开场对于谐波的治理给予越来越多的关注；同时作为改善用电质量的必要措施，如何有效地抑制并消除谐波的影响也成为目前较为热门的课题之一。其中，治理方案主要由以下几点：（1） 变频启动的消谐措施传统的电机启动都装有电压源转换器和电流源转换器，虽然这种做法能在一定程度上提高电机运行的稳定性，但是同时也会产生相当大的电流谐波分量。因此变频启动，既VFDs技术在近几年随着工业的迫切需要在各个国家迅速开展起来，其中美国已将此技术应用于商业领域。采用变频启动可以有效降低谐波电流，总谐波电流畸变可减少至原来的90%,从而降低功率消耗、减少变压器铁芯的发热，延
8、长电机的使用寿命。以下图2即为变频启动接线图：图表2变频启动原理框图这种方法综合了电压畸变的降低和系统阻抗特性有关，包括阻抗数和原有畸变水平。如果变压器阻抗低，电流畸变相对较高；如果变压器阻抗高，电流畸变则相对较低。 (2移相消谐虽然谐波给各个领路都带来不少麻烦，但是作为谐波，其同样受根本电流规律制约，当进展代数相加时，被移相的两个电流将局部或全部抵消，这取决于两种电流的大小和相角差。因此系统谐波电流可以通过不同支路或负荷形成的相位移而减少，如果两个电流幅值大小相等并被移相180，这两个谐波电流可自然抵消为零。a. /和/Y接线变压器采用/和/Y接线变压器供变频启动用负荷，可以消除谐波电流，一
9、般可降低5次7次谐波。同理，假设一动15，则可降低11次和13次谐波。b. Z形接线自耦变压器Z形接线自耦变压器是一种构造特殊的变压器。这种变压器能抑制3的倍数形谐波，如3、6、9次谐波，并且防止其从负荷逆向流往电源。图表3Z形接线自耦变压器(3) 滤波器消谐为了减少谐波电流经过负荷回流向电源，需要一种设备对特定谐波进展过滤，既所谓的滤波器。目前应用较多的滤波器分有源和无源滤波器，其应用取决于需要的功能及条件。a. 无源滤波所谓无源滤波，其实即用到无源元件，例如电阻、电容器、电感器的组合，形成对特定频率段的谐波的过滤到达消除谐波的目的。对于存在多段频段的谐波源可采用不止一组的滤波器，对各个频段
10、的谐波进展抑制及过滤。实际应用中常用的滤波器有以下几种i. 单调谐滤波器接线图如右图所示，滤波器对n此谐波的阻抗为：式中，下标fn表示第n次单调谐滤波器。图表 4 单调谐滤波器单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成，谐振次数为n为在谐振点处，,因很小，次谐波电流主要由分流，很少流入电网中。而很少流入电网中。而对于其他次数的谐波，,滤波器分流很少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设计为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大局部流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。ii. 高通滤波器高通滤波器也称为减幅滤波器，分为一阶、二阶、三阶、和C型四种。图表 5 一阶(a)、二阶(b)、三阶(c
11、)、和C型(d)高通滤波器如图5所示：一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗相应也将变大，因此一般不采用。二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶相比，其基波损耗过高。三阶高通滤波器比二阶的多了一个电容，容量与相比很小，它提高了滤波器对于基波频率的阻抗，从而大大减少基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。C型高通滤波器性能介于二阶与三阶之间。与调谐在基波频率上，故可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐和原件参数漂移比较敏感。iii. 双调谐滤波器除上述单调谐滤波器和高通滤波器外，工程中还经常应用到双调谐滤波器，其接线及阻抗频率特性如以下图6所示：图表6双调谐滤波器及阻抗频率特性双调谐滤波器由
12、名可知其有两个谐振宾律，同时吸收这两个频率的谐波，起作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，基波损耗较小，且只有一个电感，承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联的基波阻抗，所以并联电路能承受的工频电压比串联电路低很多。此外，并联电路中的电容容量一般较小，根本上只通过谐波无功容量。虽然如此，但是由于双调谐滤波器的构造过于复杂，调谐太过于困难，故应用就目前而讲并不多见。b. 有源滤波器有源电力滤波器是一种新兴的，应用于动态谐波抑制及无功补偿的电力电子装置，它既能对大于*一频率变化的谐波进展无功补偿，还可抑制无源滤波器带来的诸多缺陷。其原理框图如以下
13、图所示：图表7有源滤波有源滤波器作为一种新技术，其不同于传统滤波器的重要一点就是有源滤波器可以向当电网注入无功补偿，以抵消负荷所产生的谐波电流，从而在根本上解决系统的有功无功不平衡带来的谐波危害。这种方法可以用单级滤波器滤除多种谐波，其高可控性、快速响应性和补偿消谐的特点很快在工业上取得广泛应用，同时也带来了一个新的问题，既如何有效的检测中谐波从而有效的进展抑制也成为一个必不可少的先决条件。1.2.2 电力系统谐波检测方法的现状分析电力系统谐波检测是如今分析谐波源，治理谐波的重要前提，目前，其主要方法如下：1模拟滤波器谐波检测法传统的谐波检测方法采用模拟滤波器原理实现。该方法的优点为构造简单，
14、本钱较少，且易于控制。但该方法同样存在诸多缺陷，如：a. 由于采用模拟滤波器，因此其测量的谐波有限，当电网中频率波动时，还会受基波分量的影响，从而降低测量精度；b. 滤波器的滤波频率受原件参数和外界环境的影响，对于取得理想的谐波幅频特性曲线和相频特性曲线的要求难以到达；c. 以上缺陷大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。因此，此方法目前已很少采用。2基于傅里叶变换的谐波检测法基于傅里叶变换的谐波检测方法是通过采用快速傅里叶变换，既FFT获得各次谐波的相关参数。但是利用这种方法任然存在诸多问题，如频谱混叠，频谱泄露及栅栏效应等，这些因素都将或多或少的降低坚持测的信号精度，使其无法满足许多精细仪器
15、对于谐波坚持测的精度要求；此外，这种方法需要根据采集到的一个电流周期的电流值进展计算，且计算中需进展两次变换，计算量大，从而需要花费较多的计算时间，使检测具有较长时间的延迟，从而降低了检测的实时性。但对于一般工业场合，此方法任然是应用最为广泛的方法。3基于瞬时无功功率理论的谐波检测法基于瞬时无功功率理论的谐波检测法由于其较强的实时性与较为准确的精度，在工业应用上十分广泛。基于瞬时无功功率理论的谐波检测法分为两种种，既p-q法和ip-iq法。p-q法由于其在建模上没有考虑零序分量，在三相不平衡系统上的测量上存在较大误差，所以仅仅只能应用于三相平衡系统的谐波坚持测中。ip-iq法抑制了p-q法所带来的缺乏，不仅可以应用于三相平衡系统的谐波检测，并且还可应用于三相不平衡的系统中。并且此方法仅仅需要8个乘法器，本钱较p-q法少，下面将详细表达ip-iq法的谐波坚持测.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法2.1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测原理设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、，将其通过坐标变换变换到两相正交的坐标系中得到两相瞬时电压、和、。2-12-2其中，2-3
