谐波和无功电流检测的仿真研究
摘要
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，然而这些电力电子产品装置使得电力系统中的谐波污染日趋严重。我们都知道电力系统中许多电气元件都产生不同程度的谐波，各种整流设备尤为严重，它带来的危害也不可忽视，由此研究谐波和无功电流是十分必要的。
本文首先介绍了谐波的基本概念、谐波的产生及其危害、电网对谐波电压和谐波电流的限值，阐述了谐波问题研究的必要性，国内外研究的状况及本文研究
i i 检测方的内容。基于顺势无功理论谐波检测方法，得到了p、q检测方法和
p q
法，并利用MATLAB/SIMULINK软件进行了仿真研究。
关键词：电力系统，谐波，瞬时无功理论，MATLAB仿真
Harmonic and reactive current testing and simulation
ABSTRACT
Following the development of the national economy and the living standard of people, the electric powers electronics product is broadly applied to the control realm in the industry. These electric powers electronics equips to make a harmonic pollution problem within the electric power system is serious gradually. As we know, a lot of electric components produce various degrees of harmonies in the power system, it is particularly serious to do it such as various kinds of rectification equipment and inverters and converters，And it cannot ignore the harm of harmonic, therefore researching harmonic and reactive current is very necessary.
The paper introduces the concept of harmonics, its harm to power grid and limitation of harmonics voltage and current harmonics, and it also demonstrates the necessity of eliminate harmonics, and briefly introduces several methods to eliminate harmonics and research of both here and abroad. The paper analyzes the principles of the harmonic. Then the paper detailed introduces the theory of the way of harmonic currents of a single-phase and the way of harmonic currents of a there-phase and instantaneous reactive power. In the end the paper simulates harmonics detection methods by MATLAB/SIMULINK.
KEY WORDS: Power systems，harmonic，Instantaneous reactive power，MATLAB simulation，Harmonic current detection
目录
前言 (1)
第1章谐波理论基础 (5)
1.1谐波的定义 (5)
1.2 线性负载和非线性负载 (7)
1.2.1 线性负载 (7)
1.2.1 非线性负载 (7)
1.3 谐波的产生 (7)
1.4 谐波的危害与影响 (8)
1.5 谐波的危害与影响 (9)
1.5.1 奇次谐波 (9)
1.5.2 偶次谐波 (10)
1.6 谐波的参数 (10)
1.6.1 谐波电流 (10)
1.6.2 谐波电压 (10)
1.7 与谐波有关的参数定义 (10)
1.7.1 阻抗 (10)
1.7.2 阻抗系数 (10)
1.7.3 谐振 (10)
1.7.4 谐振频率 (11)
1.7.5 无功功率 (11)
1.7.6 无功功率补偿 (11)
1.8 本章小结 (11)
第2章谐波检测方法分析 (12)
2.1 前言 (12)
2.2 频域理论 (12)
2.3 时域理论 (13)
2.3.1 快速傅里叶变换法 (13)
2.3.2 基于瞬时无功功率的检测方法 (13)
2.3.3 基于瞬时无功功率的
i i 检测方法 (15)
p q
2.4 本章小结 (16)
第3章谐波检测MATLAB仿真电路模型设计 (18)
3.1 电路设计模型 (18)
3.2 本章小结 (19)
第4章仿真分析 (20)
4.1 仿真软件介绍 (20)
4.2 仿真结果分析 (20)
4.2 本章小结 (23)
结论 (24)
谢辞................................................................. 错误！未定义书签。参考文献 (25)
外文资料翻译 (26)
前言
电能作为现在社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。今年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模日益扩大，电能紧缺的问题已逐步解决，但以此同时，用户对提高电能质量的呼声也越来越高。
电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合规定值的偏差。90年代以前电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的范围内正常地工作，但是在90年代后期信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在工业生产中大量投入使用，他们对干扰比机电设备更加敏感，一次对供电质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，于此带来的损失时难以估量的。
从环境的角度来看，电力系统也是一种“环境”，同样存在着污染的问题，电网中存在的谐波电流和谐波电压就是对电网环境的一种严重污染。在电力系统中大功率换流设备和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系统本身存在的非线性元件等使得系统中的电压波形畸变越来越严重，对电力系统造成了很大的危害使供电系统中的元件损耗增大、降低用电设备的使用寿命、干扰通讯系统等。严重时甚至还能是设备损坏，自动控制失灵，继电保护误动作，对电感和电容构成的串联或并联电路还有可能产生串联谐振或并联谐振，其形成的谐振过电压或过电流将大大增加，给电容器、系统及用户造成严重危害。
谐波对电力系统的影响同自然环境污染一样，已成为一种公害。为了保证供电质量、提高系统运行的安全性和经济性，电网谐波抑制问题已成为当前电力系统中迫切需要解决的课题，因袭研究谐波和无功电流是十分必要的。
(一)课题研究的目的和意义
电力形势现在人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。随着电力电子装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。点电力电
子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大地影响。谐波被认为是电网的一大公害，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量机在谐波情况下对各种电气量的检测方法等。为了避免这些谐波的不良影响，有必要对其研究。谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的关注，当时在德国使用静止汞弧变流器而造成电压和电流波形畸变。20世纪70年代以来，电力电子技术的飞速发展，使谐波问题日益突出，已成为阻碍电力电子技术发展的一大障碍。目前消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。
(二)国外研究状况
国际上对电力谐波问题的研究大约起源五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。70年代后期，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日益严重，从而引起各国的高度重视。近十几年间电力谐波的研究，已经越过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。
目前，谐波研究仍然是一个非常活跃的领域。发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅猛增加。针对谐波的大量出现，目前国外已经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的NOWA-I谐波分析仪、美国产F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析仪等。
抑制谐波也已从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数为1，单位功率艺术变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波源的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分磊为无源滤波器和有源滤波器两种。
（1）无源滤波装置。传统无源滤波通过使用RLC无源元件的串并联
方式构成无源的单调谐、高通或低通等滤波器，已达到滤除谐波的目的，而且这种谐波抑制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用。由于它成本低、技术成熟、结构简单、容易实现等优点，所以它仍然是目前广泛使用的谐波移植技术。
（2）有源滤波装置。随着20世纪60年代以来新型电力半导体器件的出现，脉宽调制技术的发展，以及基于顺势无功功率理论地提出，针对无源滤波器的缺陷在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是APE思想的萌芽。之后，在1976年Gyugyi L等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成的有源滤波器，冰正式提出了有源滤波波的概念。20世纪80年代由于大功率全控型功率器件的成熟，PWM技术的进步，以及基于顺势无功功率理论的谐波电流实时监测方法的提出，使APE得以迅猛的发展，APE通过向电网诸如谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有相应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。因此APE逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并开始得到迅速的发展。但由于全控功率器件的成本及性能，制约了APE的实际应用。
(三)国内研究状况
我国从80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引已成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，随着这些非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分一大大超过了有关标准，并出现了一些危机电网安全、经济运行的问题。事实证明：1985年8月大同第二发电厂2号发电机组（200MW）负序电流保护动作跳闸，造成向首都供电中断，使北京大面积停电的严重事故：1994年4月山西晋东南电网解列事故，都是由于电气化铁道的谐波和负序电流干扰的结果。与此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果。
但是，我国在APE方面的研究仍处于起步阶段，到1989年才有这方
面文章。研究APE主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论研究和实验研究为主。理论上设计涉及到了功率理论的定义、谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳定和动态性研究等。清华大学、华北电力大学、重庆大学等高校也对APE展开了深入的理论和实验。我国虽然在理论上取得了一定的进展，由于多方面条件的限制，我国的有源滤波技术还处于研究实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。因此我国有源滤波技术具有广泛地发展和应用前景。
第1章 谐波理论基础
1.1 谐波的定义
“谐波”一次起源于声学领域，指的是弦或空气柱以一定的频率振动，这个频率是基频的整数倍。交流电力系统中谐波分量的定义为系统中畸变周期波形的正弦分量，它们的频率是系统基波频率的整数倍。
在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波。正线电压可表示为：
()sin()u t wt α+ (1-1)
式中：
2/U f T f αωωππ---=-电压有效值
初相角
角频率，=2频率;
T-周期
正弦电压视角在非线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别是比例积分个微积分关系，仍为同频率的正弦波。但当正线电压施加在非线性电路上时，电流就变成为非正弦波，非正弦嗲刘在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为2/T πω=的非正弦电压()u t ω，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：
01()(cos sin )n n n u t a a n t b n t ωωω∞
==++∑ （1-2）
式中： 021()()02u t d t a πωωπ
=? 21()cos()()0n u t n t d t a πωωωπ=
? 21()sin()()0n u t n t d t b πωωωπ=?
(1,2,3....)n =
或 01()sin()n n n u t a c n t ωω?∞==+
+∑ （1-3）
式中,n c 、n ?和n a 、n b 的关系为
(/)sin cos n n n n n n n
n n n
c arctg a b a c b c ???==== 在式（2）或（3）的傅里叶级数中，频率为1/T 的分量称为基波，频率为大于1整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均为非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中()u t ω转成()i t ω即可：
n 次谐波电压含有率以n (Harmonic Ratio U )n HRU 表示： 1
100(%)n n U HRU U =? （1-4） 式中 n U ---第n 次谐波电压有效值；
1U ---基波电压有效值。
n 次谐波电流含有率以n HRI 表示。 1
100(%)n n I HRI I =? （1-5） 式中 n I ---第n 次谐波电流有效值；
1I ---基波电流有效值。
谐波电压含量H U 和极薄电流含量H I 分别定义为：
H U =
H I =电压谐波总畸变率u THD 和电流谐波畸变率i THD 分别定义为：
1
100(%)H u U THD U =? （1-6）
1
100(%)n i I THD I =? （1-7） 以上是有关谐波与谐波有关的极薄概念。可以看出，谐波是一个周期电气量中频率为大于1整数倍基波频率的正弦分量。谐波次数n 必须是大于1的正整数。n 为非正整数时的正弦反驳分量不能称为谐波。当n 为非整数的正弦波分量出现时，被分析的电气量也不是周期为T 的电气量了。但在某些场合下，供电系统中的确存在一些频率不是整数倍极薄频率的分数次波，分数次波产生的原因、危害和抑制方法也均和谐波很相似。
1.2 线性负载和非线性负载
1.2.1 线性负载
线性负载是指那些经过它的电压和电流信号变化非常相近的负载，比如说电阻就是一个线性负载，经过常值电阻的电压降和电流成正比。这种关系可用著名的欧姆定律进行描述。即
()()t t R v i =
1.2.1 非线性负载 非线性负载指的是由于某些原因经过它的电流和电压波形不相类似的负载。例如，只在一小部分工频期内用以导通负载电路的电子开关的动作将在电路中产生非线性负载。因此我们可以把不能用欧姆定律描述电压和电流之间关系的负载称为非线性负载。电力系统中常见的非线性负载包括广泛应用于功率变流器、功率源、不间断电源等中的各种整流设备和各种电弧设备，如电炉、荧光灯等。
1.3 谐波的产生
谐波的产生主要由如下：
一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做
到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。
二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈现尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
三是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越多广泛地应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三星全控6脉整流器，变压器愿边供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
1.4 谐波的危害与影响
谐波导致供电电压波形畸变，劣化公共连接点（PCC）供电质量。同时，谐波电流进入电网后有发生谐振的钱潜在危险，谐振的后果将出现大范围、大幅度的过电压、过电流为题进一步威胁电力系统的安全运行，并且还造成对非线性负荷自身利益的损害。
谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它是用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信和公用电网以外的设备带来危害。谐波电流、谐波电压对电力系统和用户的影响及危害，概括起来，大致可以有以下几个方面：
(1)由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波消除，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
(2)谐波影响电气设备的正常工作。对旋转电机产生附加功率损耗和发热，并引起振动。对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。
(3)当谐波频与输电系统固有的特征频率重合时，可能会放大谐波分量，增加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。
(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确。造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受害的用户既从系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少支付电费，而受害的用户多付电费。给供电用户带来直接的经济损失。
谐波会对邻近的通信系统造成明显的干扰，降低通信质量。谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响，降低通讯质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
1.5 谐波的危害与影响
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。
谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。根据谐波频率的不同，可以分为：
1.5.1 奇次谐波
额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波；
1.5.2 偶次谐波
额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。
一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。
1.6 谐波的参数
1.6.1 谐波电流
谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上。
1.6.2 谐波电压
谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。
1.7 与谐波有关的参数定义
1.7.1 阻抗
阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。
1.7.2 阻抗系数
阻抗系数是AF（载波）阻抗相对于50Hz(基波)阻抗的比率。
1.7.3 谐振
在配电系统里的设备，与它们存在的电容( 电缆，补偿电容器等) 和电感( 变压器，电抗线圈等) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励
而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是 3 次的；它在全部导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。
1.7.4 谐振频率
每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。
1.7.5 无功功率
电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是var 或kvar。
1.7.6 无功功率补偿
供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。
1.8 本章小结
本章主要讲述了谐波理论的一些基础知识，分析了谐波的来源、谐波危害及一些常用的谐波计算式。
第2章谐波检测方法分析
2.1 前言
电力系统谐波问题涉及面很广，包括谐波检测、谐波分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波抑制、谐波标准以及在谐波情况下各种电气量的测量和分析等。此而波检测是谐波问题中的一个重要分支，是解决其他谐波问题的基础，也是有源电力滤波器抑制谐波成败的关键技术口，电力系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等因素的影响，对其进行准确检测并非易事，因此人们在不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术。
谐波检测伴随着交流电力系统发展的全过程，诞生了频域理论和时域理论，形成了多种谐波检测方法，如基于傅里叶变换的频域分析法、快速傅里叶变换、瞬间无功功率理论等。
2.2 频域理论
早期的谐波检测方法，嗾使基于频域理论，主要是基于傅氏变换的频域分析法。这种分析方法是以傅里叶变换为基础的，福利叶变换一直是信号处理领域中应用最广泛、效果最好的一种分析手段，利用它对非正弦连续的时间周期函数进行变换也是谐波分析最基本和最常用的方法。这种方法根据采集到的1个周期的电流值或电压值进行计算得到，该电流所包含的谐波次数以及各种谐波的幅值和相位系数，将要抵消的谐波分量通过福利叶变换得出所需的误差信号，再将该误差进行傅里叶反变换，即可得到补偿信号。
缺点是：需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量太大、实时性不好，因此该方法大多用于谐波的离线分析，难以实现现在所要求的在线的信号检测分析。而且傅里叶变换只是一种纯频域的分析方法，他在频域的定位性是完全正确的，而在时域无任何定位性。
由于频域理论存在上述严重的缺点，随着电力系统谐波检测要求的提高以及新的谐波检测方法日益成熟，该方法已不再应用。
2.3 时域理论
2.3.1 快速傅里叶变换法
基于傅里叶变换的频域分析法由于计算量大、实时性不好，不能应用于工程实际，人们对其进行了改进。1965年美国 Cooly 和 Tukey 两个分提出了快速傅里叶变换(FFT),用快速傅里叶变换获取歌词谐波信号的幅值、频率和相位，等量时间是信号周期整数倍和采样频率大于Nyquist 频率时，该方法检测精确度高、时间简单、功能多且使用方法，在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。
目前，FFT 技术相当成熟，但是FFT 也有他的局限性。在电力系统中稳态谐波检测中大多采用FFT 及其改进算法，而对于波动谐波或快速变化的谐波，则需要采取其他方法。
2.3.2 基于瞬时无功功率的检测方法
三相瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文于1983年首先提出的，此后国内外许多学者对其进行了跟踪研究，并在此基础上提出了三相电路的谐波、无功和负序电流检测方法，促使其在许多方面得到了成功的应用。
基于上述的检测方法我就以p q i i -为例分析功率的检测方法：
设三相电路各相电压和电路的瞬时值分别是a e 、b e 、c e 和a i 、b i 、c i 。
把他们变换多如下图2-1所示αβ-两相正交的坐标系上进行研究。
32a b c e e c e e e αβ??????=????????????
（2-1） 32a b c i i c i i i αβ??????=????????????
（2-2）
式中
3211/21/20/22c --?=??
在图2.1所示的αβ-平面上，向量e α、e β和i α、i β分别可以合成为
电压向量e 和电流向量i 。
e
e e e e αβ?=+=∠ i i i i i αβ?=+=∠
式中 e 、i ----相量e 、i 的模 e ?、i ?----相量e 、i 的幅值
图2-1 αβ-平面图中的电压、电流矢量
根据式子（2-1）和（2-2）引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有如下：
pq
p q e e i i c i i e e αβααβββα????????==??????????????????????- （2-3）
式中 pq e e c e e αββα??=??????
-。 有式子（2-3）可得
22222222
p q u u e e e e i i u u e e e e βααβαβαββααβαβ????++??????=??????????????-??++???? （2-4） 式子（2-3）和（2-4）中，在三相电流为非正弦且不对称时，p 和q 分解为三种成分 :
??p p p p q q q
q =++??=++? （2-5） 当三相电压平衡且无畸变，式子（2-5）中
p 、q --分别为瞬时有功、无功功率的直流成分，对应于三相系统的
基波正序无功电流分量，其中用户对应于三相系统的基波正与有功电流分量，q 对应于三相系统的基波正序无功电流分量；
p 、q ---分别为瞬时有功、无功功率的高频成分（h>2），系统的高次
谐波成分；
?p 、?q ---分别为瞬时有功、无功功率的低频成分（h=2），对应于三相
系统的负序电流成分。
以上三相电路瞬时无功功率理论为基础，即可得到三相电路的谐波和无功电流检测方法——p 、q 检测法，并可以得到派生出的p q i i -法。
2.3.3 基于瞬时无功功率的p q i i -检测方法
该方法是有p 、q 检测方法派生出来的一种基于瞬时无功功率理论的谐波、无功和负序电流检测方法。其原理框图如下图2-2，在该方法中，需
要用到与a 相电网电压e α同相位的正弦信号sin t ω和对应的余弦信号
cos t ω-，
它们由一个锁相环（PLL ）和一个正、余弦信号发生电路得到。p i 、q i
运算方式检测三相谐波电流原理图如下图2-2。 p
i 、q i 方式的运算式子为： sin cos cos sin p q t t c t t i i i i i i ααββωωωω??????-????==??????--???????
??????? （2-6） 式中 sin cos cos sin t t c t t ωωωω-??=??--??
。
图2-2 p q i i -检测方法原理图
图2-2中32c 和C 是前述的变换矩阵，23c 是两相坐标到三相坐标的变
换矩阵，2332T
c c =。
在图2-2中，先将三相坐标电流转换到两相坐标，然后根据定义计算出有功电流p i 和无功电流q i ，再经过低通滤波器LPF 得出p i 、q i 的直流分
量p i -、q i -。在这里，有功电流和无功电流的直流分量是由三相电流的基波分量产生的，因此由直流分量可以计算出三相基波电流af i 、bf i 、cf i ，再与被检测电流相减即可以得到谐波电流ah i 、bh i 、ch i 。
2.4 本章小结
本章对目前国内外一些常用的谐波实时检测方法进行了分析，重点介
四种相位的测量方法（无功功率） 一、无功功率概念的历史发展 最早的无功功率概念是建立在单相正弦交流信号的基础上。 设某线路的电压 ，电流，则 有功功率为 ，无功功率为。U 、I,分别为电压与电流的有效值。 随着半导体行业和电力工业的发展，各种整流器件、换流设备以及其他非线性负载大量安装与电力系统中，使原有的无功功率定义在工程运用中非常不方便。 现在人们对正弦信号无功功率有了新的理解。 假设某单相线路的电压为 ，电流为，则将按照与平行和垂直两个方向分解为与，那么与的积即为无功功率。 二、无功功率的测量方法 1、替代法 主要使用于无功功率变送器中，用于测量三相平衡电路的无功功率。当三相电路严格平衡对称时，此方法不存在原理性误差。在不对称与存在多谐波的情况下，此方法不适用。 2、电子移相测量法（简称模拟移相法） 多用于比较高级的综合仪器中（多用数字表） 根据三角公式变换??sin 90-cos =?）（，从而把无功功率测量转化为有功功率测量，即转化为求两个向量的内积）（???=??=90-cos U I sin U I Q ??。这已经可以比较方便的测量了。 理想情况下电子移相并不存在原理性误差。但在工程上电容与电阻是实际元件，其值及相应的效应与理想值差距巨大，所以效果并不理想。 3、数字移相测量法 在一个周期内对三相电压、三相电流均匀采样24点至64点（因生产厂家所生产的设备不同而异），然后用电压采样值乘以滞后90度点的电流采样值，做积分运算从而得到一个周期内的平均无功功率 N N N N /)j 4/(i u )j 4/(i u )j 4/(i u Q N 1j C Cj B Bj A Aj ∑=+?++?++?=）（ 式中 j ——代表第j 个采样点 N ——代表一个周期的采样点数，N/4代表1/4个周期 从原理上讲，不存在理论误差。该方法的问题主要在于数字移相的适用性。当被测量是单纯的三相正弦信号，可以通过控制采样点数及其均匀的程度来实现精密的数字移相。但是如果被测信号不是严格的正弦波，有谐波含量、则数字移相就要出现误差。原因在于，数字移相90度是按基波计算的，对于三次谐波而言，则相当于移了270度，对于五次谐波而言，相当于移相90度。所以此时的无功功率测量存在着各次谐波造成的误差。 ）?+=wt sin(2u U ）?+=wt sin(I 2i ?cos UI P =?sin UI Q =→U →I →I →U →1I →2I →U →2I
谐波及无功电流检测方法对比分析 0 引言 APF补偿电流的检测不同于电力系统中的谐波测量。它不须分解出各次谐波分量，而只须检测出除基波和有功电流之外的总的高次谐波和无功畸变电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供电流参考，这是决定APF性能的关键。目前文献已报道运行的三相APF中所使用的几种谐波电流检测方法，除了各自存在的难以克服的缺陷外，共同存在的问题是，由于是开环检测系统，故对元件参数和系统的工作状况变化依赖性都比较大，且都易受电网电压畸变的影响。对单相电路的谐波和无功电流的检测还存在实时性较差的缺点。 本文对目前有源电力滤波器中应用的畸变电流检测与控制方法进行了分析比较，在此基础上，针对APF中只须检测总的畸变电流，反向后注入系统，以抵消或补偿系统中畸变电流，使电网仅提供基波有功电流这一工作特点，从保证APF能最有效地工作出发，综合瞬时无功功率理论检测法的快速性和闭环电路的鲁棒性，提出了基于瞬时无功功率理论的闭环检测方案。从谐波及无功电流开环、闭环检测电路抽象出检测电路的本质（本文称为统一模型），在此基础上，给出了检测电路的优化设计方案，研究了检测系统中等效低通滤波器的阶数与截止频率对检测精度与快速性的影响，推导了统一模型下闭环检测电路的实现。最后，通过实验加以验证。 1 基波幅值检测原理 设单相电路中的电源电压为 u s= U sin t（1） 非线性负荷电流为 i L(t)=i f(t)＋i h(t)=i fp(t)＋i fq(t)＋i h(t)=i fp(t)＋i c(t)（2） 式中：i f(t)为i L(t)的基波电流； i h(t)为i L(t)中高次谐波电流； i fp(t)，i fq(t)分别为基波电流的有功分量和无功分量； i c(t)为要补偿的谐波和无功电流之和，称为畸变电流。 因为，负荷电流中的基波有功分量必定是一个初相角与电网电压相同，角频率为基波角频率ω的正弦波，所以，我们可以设负荷电流的基波有功分量为 i fp(t)=A sin t（3） 若能求出A的大小，则可由式（3）得出基波有功电流的表达式。
1 绪论 随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波的问题，因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。所以，面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术手段的落后、自动化水平低的现状，针对电压质量和谐波问题，研究电网谐波治理问题和无功补偿新技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义[3]。 1．1 谐波的定义 “谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率振动。电气学中所谓电网谐波，就是电网正弦电压波形畸变后，其波形可以按傅立叶级数进行分解，除了基波（50HZ）之外，还有一系列频率为基波频率整数倍的正（余）弦波，这些正（余）弦波称之为谐波。正是由于这些谐波注入了电网，就使得电网电压波形畸变[14]。 1．2 谐波的危害 电网谐波的危害主要有以下几点： 1、相同频率的谐波电压余谐波电流要产生同此谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网容量。 2、高次谐波能使电容器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少，甚至出现发热、鼓肚、击穿或爆炸事故。同时在电压已经畸变的电网中，电容器的投入，还可能使电网的谐波加剧（谐波放大现象）。 3、谐波往往引起继电保护不工作或误动作，从而造成设备与系统的事故，尤其是半导体继电保护与整流型继电保护更为严重。
4、谐波能增大仪表的计量误差，干扰通讯网络的正常工作。 5、电机中有谐波电流，且频率接近某个零件的固有频率时，使电机产生机械振动并发出很大的噪声。 6、谐波对人体有影响。从人体生理学来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转。其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的磁辐射就会直接影响人的脑磁场和心磁场。 1．3 谐波的产生 电网谐波来源于三个方面：其一是发电源质量不高产生谐波；其二是输电网产生谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以电气设备产生的谐波最多，具体情况如下： 1、整流设备。由于晶闸管整流的广泛应用（如电力机车的、路电解槽、电池充电器等），给电网造成大量的谐波。统计表明：由于整流装置产生的谐波占所有谐波的40%左右，这是最大的谐波源。 2、电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三项电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃料不稳定，引起三项负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的△形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。 3、电力变压器。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济型，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波，其次谐波电流可达额定电流的0.5%。另外变压器空载合闸时出现的涵流中也含有大量的谐波量。 4、家用电器。如电视机、录像机、电子调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波；在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能是波形改变。
三相无功功率的测量方法 发电机及变压器等电气设备的额定容量为S=UI,单位为伏安。在功率因数较低时，即使设备已经满载，但输出的有功功率却很小（因为P=UIcosφ），不仅设备不能很好利用，而且增加了线路损失。因此提高功率因数是挖掘电力系统潜能的一项重要措施。电力工业中,在发电机、配电设备上进行无功功率的测量，可以进一步了解设备的运行情况，以便改进调度工作，降低线路损失和提高设备利用率。测量三相无功功率主要有如下方法。 1. 一表法 在三相电源电压和负载都对称时，可用一只功率表按图4-1联接来测无功功率。 将电流线圈串入任意一相，注意发电机端接向电源侧。电压线圈支路跨接到没接电流线圈的其余两相。根据功率表的原理，并对照图4-1，可知它的读数是与电压线圈两端的电压、通过电流线圈的电流以及两者间的相位差角的余 弦cosφ的乘积成正比例的，即P Q =U BC I A cosθ (4-1) 其中θ =ψ UBC –ψ iA 图4-1 由于uBC与uA间的相位差等于90度(由电路理论知)，故有θ=90o-φ式中φ为对称三相负载每一相的功率因数角。在对称情况下UBC IA 可用线电压U1及线电流I1表示，即 PQ=U1I1cos(90o-φ )=U1I1sinφ (4-2) 在对称三相电路中，三相负载总的无功功率Q =√3 U1I1sinφ (4-3) ∴ 亦即Q=√3PQ (4-4) 可知用上述方法测量三相无功功率时，将有功功率表的读数乘上√3/2 倍即可。 2. 二表法
用两只功率表或二元三相功率表按图4-2联接，从功率表的作用原理可知，这时两个功率表的读数之和为 PQ=PQ1=PQ2=2U1I1sinφ(4-5) 较式(4-3) (4-5) 知(4-6) Q=√3PQ/2 图4-2 从上式可见将两功率表读数之和（或二元三相功率表的读数）乘以√3/2，可得到三相负载的无功功率。 3. 三表法 三表法可用于电源电压对称而负载不对称时，三相电路无功功率的测量，其接线如图4-3所示。当三相负载不对称时，三个线电流IA、IB、IC不相等，三个相的功率因数角φA 、φB 、φC 也不相同. 图4-3 因此，三只功率表的读数P 1、P 2 、P 3 也各不相同，它们分别是:4-3 (1) P 1=U BC I A cos(90o-φ A )=√3U A I A sinφ A (2) P 2=U CA I B cos(90o-φ B )=√3U B I B sinφ B
摘要 本论文首先对国内外谐波抑制技术发展现状、有源电力滤波器原理与结构及三相瞬时无功功率理论进行了综述。重点研究了基于瞬时无功功率 理论。检测法及改进的电流移动平均值谐波检测法。在对电流移动平均值原理进行分析的基础上，给出了电流平均值谐波检测方案及实现检测的原理框图。 接着以MATLAB6.1软件包中的SIMULINK仿真环境为平台，构建了平均值谐波检测法的仿真模型;对电流平均值谐波检测方案进行了仿真研 究，并与基于滤波器的。谐波检测法的仿真结果进行了分析对比。结果表明，所采用的仿真方法与所构建的仿真模型不仅有效，而且证实了平均值谐波检测法比滤波器法有良好的动态响应性能。 在仿真基础上，提出了基于LF2407ADSP芯片电流平均值谐波检测法的数字实现方案，进而开发了三相并联型数字有源电力滤波器实验系统。进行了软、硬件设计。搭建的硬件电路包括:过零同步检测、电流和电压检测、PWM输出等几部分。采用模块化设计思路，用DSP汇编语言编写了系统软件，其中包括：ADC及中断处理、捕获及捕获中断处理、三相到两相电流转换、平均值法谐波计算、两相到三相变换、PI调节、PWM输出 控制及主程序等模块，并在软件开发系统下进行了调试。为实现电流同步采样处理，根据LF2407A事件管理器捕获单元特点，提出一种用软件实现锁相环的控制方法。 最后对有源电力滤波器进行了系统调试。实验结果表明，采用电流平均值谐波检测法结合软件锁相环控制方法能有效、准确的检测谐波，用该检测法开发的DSP有源电力滤波器实验系统，能够有效消除由非线性负载产生的谐波。关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器 关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器
三种谐波和无功电流检测算法的综合性能比较 王冲，解大，陈陈 (上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海市 200240) 摘要：有关谐波和无功电流的检测方法，学界提出了三种主流算法，即 p-q法、i p -i q 法和自适应电流检测法。一般文献只对算法某些方面的性能进行探 讨，并未就算法的稳态和动态滤波性能进行综合研究。本文将对这三种算法的综合滤波性能对比研究，并给出各种典型的复杂谐波状况下的仿真验证。 关键词：谐波检测；无功补偿；电力有源滤波器 0引言 电力电子技术的快速发展使得非线性装置在工业界广泛使用，随之产生的谐波污染问题也日益严重。高次谐波和无功电流的补偿已成为电力电子学和现代电力系统中亟待解决的问题。目前，有源滤波器(Active Power Filter)技术可视为最有效和最具潜力的方案。而其谐波和无功电流检测技术是整个方案的关键之处，能否快速精确的检测出需补偿的分量，并具有良好的动态跟踪性能，直接决定了装置的整体滤波性能。 谐波和无功电流检测方法一般有： (1)基于频域分析的FFT方法。原理是将谐波分量分解再合成出总的谐波分量，其特点是速度慢，且对高次谐波检测的效果不佳，同时无法检测出无功分量。 (2)用模拟带通滤波器或陷波器检测高次谐波电流。由于滤波器的中心频率固定，当电网频率波动时，滤波器效果将随之变差。此外，滤波器的中心频率对元件的参数十分敏感，这样较难得到理想的幅频特性和相频特性。同样，该法也不能分离出无功电流。 (3)基于“瞬时无功功率理论”的电流检测法。自1983年日本学者赤木泰文 提出该理论［1］以来，已发展出成熟的算法，即p-q法和i p -i q 法。理论上可检测
摘要 随着电力电子设备及非线性负载在电力系统中广泛应用，电网中的电压和电流波形畸变也越来越严重。谐波的抑制和无功电流补偿已成为电力电子学和现代电力系统急需解决的问题。这些非线性负荷在工作中时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。而由于无功电流的存在，在传送同样能量的情况下，电流比没有无功的情况下增加，会大量增加系统的铜损，降低线路与变压器的利用率。无功电流检测是对电网无功功率补偿必不可少的部分。本文主要介绍了电流的检测基本原理和从检测电流中分解出无功电流的方法和原理。检测电流包括基波分量和谐波分量，基波分量又包含有功电流分量和无功电流分量，通过滤波可以得到基波电流分量，与原有电流相减就可以得到谐波电流，通过坐标变换可以将基波电流分解成有功电流和无功电流。 关键词：基波谐波有功电流无功电流
目录 摘要I 1 电流检测的意义和基本原理 1 2无功电流的分解方法 2 2.1三相对称电路无功电流检测2 2.2单相电路无功电流检测8 3无功电流检测仿真及分析12 3.1三相对称电路无功电流检测仿真及分析12 3.2单相电路无功电流检测仿真及分析 18 总结与体会23
参考文献：25
无功电流检测研究 1 电流检测的意义和基本原理 电力电子技术的快速发展使得非线性装置在工业界广泛应用，随之产生的谐波污染问题也日益严重。谐波抑制及无功补偿的一个重要手段是电力有源滤波器。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波或无功电流，由补偿装置产生一个与该电流大小相等而极性相反的补偿电流与其相抵消。其中，谐波和无功电流的正确检测是决定补偿效果的重要环节。无功功率Q是既产生附加线损，又对发，配电系统都有影响的量，分析Q 的物理本质，研究它的正确涮量与补偿的方法，是电工理论与电工技术中尚无定论的一个重要课题。无功功率是无功电流引起的，欲了解无功功率，应先了解无功电流。无功电流是导出量，不是基本量，基本量是有功电流。由有功电流不仅可导出无功电流和无功功率，还可以确定无功补偿所需要达到的目标以及无功补偿应采取的方法等。
电力系统谐波抑制的仿真研究 目 录 １ 绪论…………………………………………………………………………… 1．1 课题背景及目的………………………………………………………… １．2国内外研究现状和进展………………………………………………… 1.2．１国外研究现状 …………………………………………………… 1．２.１国内研究现状 …………………………………………………… 1.3 本文的主要内容…………………………………………………………… ２ 有源电力滤波器及其谐波源研究……………………………………………… 2.1 谐波的基本概念………………………………………………………… 2.1.1 谐波的定义……………………………………………………… 2.1.2谐波的数学表达………………………………………………… 2.1．3电力系统谐波标准………………………………………………… 2.２ 谐波的产生……………………………………………………………… ２．3 谐波的危害和影响……………………………………………………… ２.4 谐波的基本防治方法…………………………………………………… 2.5无源电力滤波器简述…………………………………………………… 2.6 有源电力滤波器介绍…………………………………………………… 2.６.１ 有源滤波器的基本原理．……………………………………… 2.6．２ 有源电力滤波器的分类.……………………………… 2.７并联型有源电力滤波器的补偿特性…………………………………… 2.7．１谐波源………………………………………………………… 2.７．2有源电力滤波器补偿特性的基本要 求…………………………… ２.7.３影响有源电力滤波器补偿特性的因素…………………………… 2．7.4并联型有源电力滤波器补偿特性……………………………… 2.８ 谐波源的数学模型的研究……………………………………………… ２.8.1 单相桥式整流电路非线性负荷………………………………… 2.8.2 三相桥式整流电路非线性负荷.………………………………… ３ 基于瞬时无功功率的谐波检测方法…………………………………………… 3．1谐波检测的几种方法比较…………………………………………… 3.２三相电路瞬时无功功率理论…………………………………………… ３．２.１瞬时有功功率和瞬时无功功 率……………………………………… 3.2．2瞬时有功电流和瞬时无功电流……………………………………… 3.3 基于瞬时无功功率理论的p q -谐波检测算法．…………………… 3.４基于瞬时无功功率理论的p q i i -谐波检测法.…………………… ４并联有源电力滤波器的控制策略…………………………………………… 4.1并联型有源电力滤波器系统构成及其工作原理………………………… ４.2并联有源电力滤波器的控制研究.……………………………… ４．２.１并联有源电力滤波器直流侧电压控制…………………… 4．2．2有源电力滤波器电流跟踪控制技术…………………………… 4.2．２．1 P ＷM 控制原理………………………………………… ４.2.２.2滞环比较控制方
基于PO法的谐波电流与无功电流检测方法没计 【摘要】抑制谐波和提高功率因数是涉及电力电子技术、电气自动化技术和电力系统的一个重大课题。本文首先对谐波的危害进行了简述，分析了谐波的定义，重点讨论了三相瞬时无功功率理论，并对以此为基础的谐波电流检测法PQ法进行了理论分析和仿真验证。 【关键词】功率因数；谐波抑制；瞬时无功功率 0 引言 电力电子技术在推动电力系统发展，灵活高效地利用电能的同时，其设备又成为电力系统中最主要的谐波源，同时消耗无功功率[1-2]。谐波的危害是多方面的，主要体现在：1）对供配电线路的危害：主要是影响线路的稳定运行和电能质量；2）对电力设备的危害：包括对电力电容器的危害、对电力变压器的危害和对电力电缆的危害；3）对用电设备的危害：包括对电动机的危害、对低压开关设备的危害和对弱电系统设备的干扰。4）对人体和电力测量准确性的影响：目前采用的电力测量仪表当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围的电器环境带来极大影响并对人体健康存在潜在危害，被公认为电网的危害和人体生命的杀手。 1 电力谐波的定义 目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[3]。以正弦波电压为例，可以表示式（1）：式中U是电压有效值，θ是初相角，ω是角频率，T为周期；对于周期为T的非正弦波信号，在满足狄里赫利的条件下，可分解为如式（2）的傅立叶级数。 2 基于PQ法的谐波电流和无功电流检测设计 2.1 三相瞬时无功功率理论 2.3 PQ检测仿真设计和验证 3 结论 本文以现代电力生活中大量非线形负荷造成的谐波现象为背景，提出了谐波电流抑制这个现实而急切的问题。本文揭示了谐波的产生原因和危害，重点分析了基于PQ法的谐波电流和无功电流检测法。该方法主要是将三相电流电压通过帕克转换到两相坐标上，利用向量的有关性质，在坐标系中可得到电源电流与两相电流的关系以及电源电压和两相电压的关系，从另一侧面表达出电流与功率的关系，将无功功率与有功功率分开来分析。最后以一三相电轮为实例作出仿真设计，证明了PQ法在同时检测谐波电流和无功电流时具有无延迟性。
新能源与动力工程学院用simulink对三相桥式全控整流电路仿真和谐波分析 专业电力工程与管理 班级电力工程与管理1101 姓名李宁军 学号201110844 指导教师董海燕 2014年11 月2日
用simulink 对三相桥式全控整流电路仿真和谐波分析 摘要：随着社会生产和科学技术的发展，整流电路在自动控制系统、测量系统 和发电机励磁系统等领域的应用日益广泛。常用的三相整流电路有三相桥式不可控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路，由于整流电路涉及到交流信号、直流信号以及触发信号，同时包含晶闸管、电容、电感、电阻等多种元件，采用常规电路分析方法显得相当繁琐，高压情况下实验也难顺利进行。Matlab 提供的可视化仿真工具可直接建立电路仿真模型，随意改变仿真参数，并且立即可得到任意的仿真结果，直观性强，进一步省去了编程的步骤。本文利用Simulink 对三相桥式全控整流电路进行建模，对不同控制角、负载情况下进行了仿真分析，既进一步了解三相桥式全控整流电路的工作原理，同时进行了FFT 谐波分析，这对于评估电力电子装置对电网的危害和影响有非常重要的作用。对三相桥式全控整流电路交流侧产生的谐波进行仿真分析，从而证明了仿真研究的有效性在在现代电力电子技术中具有很重要的作用和很广泛的应用。 1. 工作特点和电路的构成： 三相桥式全控整流电路原理图如图1所示。它由三相半波共阴极接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构成电流通路，因此为保证电路启动或电流断续后能正常导通，必须对不同组别应到导通的一对晶闸管同时加触发脉冲，所以触发脉冲的宽度应大于π／3的宽脉冲。宽脉冲触发要求触发功率大，易使脉冲变压器饱和，所以可以采用脉冲列代替双窄脉冲；每隔π／3换相一次，换相过程在共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在同一组别中换相。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6个管子的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，同一相的上下两个桥臂，即VT1和VT4，VT3和VT6，VT5和VT2的脉冲相差π，给分析带来了方便；当α=O 时，输出电压Ud 一周期内的波形是6个线电压的包络线。所以输出脉动直流电压频率是电源频率的6倍，比三相半波电路高1倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。 d n VT2 VT4VT6 图1
有源电力滤波器中的谐波检测电路设计 摘要：针对现在有源电力滤波器中谐波检测的缺陷，设计出一种基于DSP、AD756和MAX260等硬件相结合的谐波检测电路。分析了ip-iq谐波电流检测算法，并且在硬件上实现。介绍了硬件结构原理，给出硬件设计框图和谐波检测各部分的程序流程，并研制出谐波检测电路。实验结果验证了谐波检测的快速性和准确性，系统运行稳定可靠，有较好的应用前景。关键词：谐波检测；TMS320F2812；AD7656；PLL；MAX260；C8051F330 对于有源电力滤波器(APF)而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、准 确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性，这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性，克服了测量结果之间延迟的缺点，使得测量精度高。以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷，而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。1 装置整体运行原理及相关算法1．1 装置运行原理图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。图中，交流电网对非线性负载电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。有源电力滤波器由4部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电容电压。然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。此时，APF 产生并向电网注入补偿电流，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载
（ 二 〇 一 四 年 六 月 本科毕业设计说明书 学校代码： 10128 学 号：201011202035 题 目：三相半波整流电路谐波及无功功率 的仿真 学生姓名： 学 院：电力学院 系 别：电力系 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 指导教师：张利宏
摘要 随着电力电子技术的迅速发展，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断的扩大，越来越多的电气设备对取用的电能形式和对功率流动的控制与处理提出了新的要求。作为供电电源和用电设备之间的必不可少的非线性接口，在实现功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免的产生非正弦的波形，向电网注入谐波电流，且随着功率变换装置的容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制的多样化等，对电气环境形成了一大公害。 而在电力电子领域中，和三相桥式整流电路相比，三相半波整流电路的无功功率和谐波的研究资料是非常少的，因为三相半波整流电路的变压器会产生直流磁化。本设计针对三相半波整流电路进行Matlab/Simulink仿真，对三相半波电路的谐波和无功功率有了深层次的分析，利用仿真所得结果为补偿装置提供了数据依据。 关键词：三相半波整流电路；谐波；无功功率；Matlab/Simulink仿真
Abstract With the development of the power electronic technology ,power electronic equipment industry market and application fields are constantly expanding,More and more electrical equipmentput put forward the new requirements for taking the form of electricity and power flow’s control and processing.As a nonlinear interface between power supply and power equipment, in the realization of power control and processing , all of the power electronic device will produce non-sinusoidal waveforms are inevitable.with the increase of testing the capacity of power transformation device and using a rapid rise in the number of the diversification of control, injecting harmonic current to the grid cause a big public hazard of electrical environment. And in the field of power electronics, compared with three-phase bridge rectifier circuit,three phase half-wave rectifier circuit of reactive power and harmonic research is very few because of the three phase half-wave rectifier circuit transformer dc magnetization.This design in view of the three phase half-wave rectifier circuit with Matlab/Simulink,the three-phase half wave circuit of harmonic and reactive power with deep analysis, using the simulation results for compensating device provides a data basis.
一种简单实用的APF谐波电流检测实验系统① 李自成，任明炜，李彦旭 (江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013) 摘 要：现有的多种有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)单相电路谐波电流检测方法，它们的有效性均采用仿真验证，而缺少实验环节。针对此问题，将UA206 A/D数据采集卡通过PCI口与计算机相连，以电源电压和负载电流作为输入信号可以构成一种简单实用的APF谐波电流检测实验系统。该系统具有结构简单、稳定性好、可靠性高、程序设计较为容易等特点。使用此系统对一种基于神经网络的谐波电流检测方法进行了实验，实验证实使用此实验系统可以方便验证所提出的APF谐波电流检测方法的正确性和检测性能。 关键词：有源电力滤波器；谐波电流；实验系统；A/D数据采集卡；程序设计 Simple Practical Experimental Detecting System for Harmonic Current of APF LI Zi-Cheng, REN Ming-Wei, LI Yan-Xu (School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China) Abstract: At present, the validities of many detecting methods for harmonic current of single-phase active power filter (APF) are verified by simulation but without experiments. To solve this problem, a simple practical experimental detecting system for harmonic current of APF is obtained by UA206 A/D data collecting block being joined with computer by PCI port and supply power voltage and load current being regarded as input signals. The system has the characteristics of simple configuration, nice stability, high reliability and easy programmer. Using this system, the experiment of a detecting method for harmonic current based on neural networks is done, and it validates that adopting the system can expediently verify the correctness and detecting performance of the proposed detecting method for harmonic current of APF. Keywords: active power filter (APF); harmonic current; experimental system; A/D data collecting block; programmer 1引言 APF是一种治理谐波和补偿无功的电力电子装置，而谐波电流检测是其关键技术。基于三相电路瞬时无功功率理论的三相电路谐波电流检测方法[1]是得到公认的较为成熟的方法。而对于单相电路，至今还没有一种较为成熟的方法。现在，APF单相电路谐波电流检测方法的研究已成为众多学者关注的一个热点。一般地，认为谐波电流检测属于非线性问题，是比较复杂的。因此，他们纷纷将针对非线性系统的现代控制的最新理论如人工神经网络、自适应控制等用于单相电路谐波电流检测，为此提出了许多新方法，如基于神经元的自适应法[2-4]，基于补偿电流最 ①收稿时间:2010-09-02;收到修改稿时间:2010-09-23小原理的检测方法[5,6]，基于电路模型和神经网络的检测方法[7]等。 这些谐波电流检测方法多采用仿真验证其有效性，而缺少实验环节[3-7]。造成这种结果的主要原因是传统的APF谐波电流检测的实验具有一定的复杂性，其复杂性主要体现在：要设计以微处理器为核心的硬件系统—包括电路板设计、电路板的生产、电路板的调试等；要设计验证检测方案的软件系统—要使用汇编语言或者高级语言(带有高级语言编译器的微处理器开发系统)编程，需要直接对硬件及接口编程，而且不同的微处理器，有不同的指令系统，因此，程序设计较为困难。这些无疑具有一定的难度。而且按照这
电网谐波的产生及谐波干扰其检测方法分析(1) 2009-08-26 14:03:28 作者：来源： 关键字： 0 引言 随着现代电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通等各种领域得到广泛应用，但由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷，其产生的谐波和无功注入电网，会使设备容量和线路损耗增加，造成发配电设备利用率的下降，影响供电质量，对电力系统的安全稳定运行构成潜在威胁。目前，谐波污染、电磁干扰和功率因子降低已成为电力系统的三大公害，因此，研究和分析谐波产生的原因，为抑制电力系统的谐波干扰提供好的检测方法，对提高电网运行质量满足用户需求具有重要的实际意义。 1 谐波产生的原因 在电力系统中，电压和电流波形理论上应是工频下的正弦波，但实际的波形总有不同的非正弦畸变。从数学的角度分析，任何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，因此，对于周期T=2π/ω的非正弦电压μ(t)或电流i(t)，在满足狄里赫利条件下可以展开成如下形式的傅里叶级数，即： 式中：c1sin(ωt+θ1)为基波分量；cnsin(nωt+θn)为第n次谐波分量。可以看出，所谓谐波就是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍，这也是国际上公认的谐波定义。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此通常又被称为高次谐波。虽然在实际的电网中还存在一些频率小于基波频率整数倍的正弦分量，但主要研究的还是电网中存在的整数次谐波。 公用电网中的谐波产生原因主要和以下两方面有关： (1)电源本身以及输配电系统产生的谐波。由于发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致等制造和结构上的原因，使得电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势，但由于其值很小，一般在分析电力系统谐波问题时可以忽略。在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，由于其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，
LOW CARBON WORLD 2017/12低碳技术无功电流检测方法与SVG控制茉略研究黄实批(广西大学电气工程学院，广西南宁530000) 【摘要】本文分析了无功电流检测方法，介绍了目前几种应用的比较多的几种检测方法，接着分析了SVG控制策略，主要分为电流间接控制和电流直接控制，然后对无功电流检测方法进行了阐述，主要分为三角波比较法和滞环比较法,最后进行了仿真分析，以期为我国无功电流检测与SVG控制提供相关的借鉴和参考。 【关键词】无功电流检测;SVG控制；策略研究 【中图分类号】TM761 【文献标识码】A【文章编号】2095-2066( 2017 )36-0077-03 1引言 随着现代社会迅速发展，重要和精密的设备的应用越来 越普遍，它们的负荷所占比例也越来越大，因此电力部门和用 户对电能质量提出了更高的要求。他们不仅要求供电连续可 靠，还要求供电电压频率穗定、波形良好。然而，由于工业和生 活用电中的感性负荷以及电力系统、各工业部门和家电行业 中的电力电子装置消耗了大量无功功率，因此使得电能质量 明显降低。无功功率的补偿是改善电能质量的重要手段之一， 其在提高功率因数、降低电路损耗、减小设备容量、确保供电 和用电设备的安全可靠运行等方面作用明显。因此，无功补偿 问题的研究具有深远的意义。 2无功电流检测方法 电力系统的谐波检测方法和S V G的无功检测不一样，因 为S V G的无功检测无需将各个高次谐波分量进行分离处理， 只需要得到除去基波电压和有功电流的无功电流总值，也就 是包含畸变电流和各次谐波的电参数，以此为S V G补偿系统 供应相应的补偿指令电流，为系统提供反相的补偿电流，中和 或者弥补系统内部的无功，保持和促进基波有功电流的平穗。 现阶段，对于非正弦电路，无功电流检测的方式主要有四种， 分别为自适应理论无功检测、基于Fryze时域分析法、基于频 域分析的Fourier检测法、基于瞬时无功功率理论的开闭环检 测手段及以上各种检测方式的叠加和完善。下面简要的对上 述几种检测法进行介绍： (1) 基于自适应理论的电流检测，这种检测方法主要是检 测无功电流结构是否为闭环控制，检测的基本原理是基于自 适应算法，对基准信号和输入进行对比分析，以此得到广义的 无功电流，自适应算法和很多种理论进行综合，这个系统也具 有非常好的抗干扰性，在电网频率发生偏移时比较适用，存在 畸变电流及不平衡的状态。但相应速度受到一定的限制，因此 需要完善控制算法。 (2) 基于Fryze时域分析检测方法，这种检测方法将平均功率作为主要的检测方法，其基础思路是分解负栽电流，通过 外围的辅助运算电路以及一个周期的积分积累，使负栽电流 变成两个分量，一个是包含谐波电流在内的无功电流，另外一 个是和电压波形吻合的分量。但是，采取这种方法得出的结果 并不是真正意义上面的瞬时无功，仅仅是通过几个周期延迟 的电流值，所以，S V G补偿系统中采取这种检测方法具有很大 的限制性，必须辅助其他的算法，并且对其进行相应的改进。 (3)频域分析Fourier检测法，目的在于使用快速Fourier 变换获得各次谐波的频域参数，以此来获取相位幅值等相关 的信息，需要进行两次计算，大概有80滋s的时差，虽然这种检 测方法在频谱分析方向操作和谐波检测方向都非常成熟，但 是因为延时比较长的原因，在具体的使用过程中，无法实现很 好的实时追踪。(4)无功电流检测的主要方法是瞬时无功功率理论，这种 检测方法是对传统平均值功率的突破，为无功和谐波的实时 监控提供强大的监视工具，基本原理是变换三相电网的所有 参数，之后再进行计算，将电流点积值、电压记为有功功率，将 电流矢量叉积、电压记为瞬时无功，之后再把这些指令值逆变 为补偿电流，通过交换，得到三相补偿电流。这种检测方法应 用的非常广泛，技术发展的很成熟，有诸多优点，但由于不适 用于单相系统和三相不平衡状态，推广性方面还有待加强。 神经网络无功检测理论于近几年成为新兴的研究方向， 主要依靠的是基本神经元和训练样本的自我学习技能，依据 实际情况，不断的对网络的权重值进行调节，以此确保输出的 可靠性。神经网络中的原始输入，输出和学习因子分别对应于 无功检测系统内的畸变电压和负栽电流，输出的指令无功电 流和功电流的反馈值。它的学习过程就是把电网电流和无功 电流的对比差值，保存在结构和权重中，不断的对输出结构进 行完善和更新，促使其无限的接近最优的无功检测值。若想保 证此检测方法的可靠性，必须训练大量的可靠样本，在此前提 下，检测的精度得以确信，由于神经网络的检测方法自称一 体，因此抗干扰能力极佳，实时并且计算量小，响应速度快。只 是目前的研究还并未成熟，需要进一步理论完善。 3 SVG控制策略 S V G的控制系统是一个包括检测、控制和驱动等多个环 节的复杂系统。一个典型的S V G控制系统的工作过程是:① 检测环节通过C T、P T将电网电流电压和S V G输出的电流电 压输送到检测运算电路，检测运算电路按照给定的算法计算 出需要的信号再传送到控制器中，这些信号称为指令信号。② 控制环节根据给定的控制策略对指令信号进行处理，产生触 发变流器门极的驱动信号传送到驱动电路。③驱动电路将驱 动信号进行功率放大，再加到变流器的门极，控制变流器的导 通与截止，这就完成了对S V G的控制。 根据上述理论介绍可知，S V G对电网的补偿效果是可以 控制的，为了达到改变补偿无功电流值的大小，可以采取控制 S V G的内部参数的措施。所以，对于S V G内部控制变量的控 制策略，对系统的运行效果也起着非常关键的作用。通过制定 合理的控制方案，可以对不同的物理量进行严格的控制，以此 达到最好的控制效果，依据不同的分类依据，将S V G的控制 方式总结如下：基于控制理论的思想，S V G的控制方法主要 有:P I D控制、逆PI控制、PI、神经网、自适应理论等相关的控 制方法。基于控制系统的结构角度，能够分为复合环、开环、闭 环及二者两两结合的控制方式。基于控制的物理量，可以分为 通过反馈环直接依靠P W M技术改变无功电流值的直接控制 法及控制相角变化的间接电流控制法等。 3.1电流间接控制 基于S V G装置无功有功功率的基本表达式，我们可以得 77