谐波和无功电流检测的仿真研究

瞬时无功功率谐波检测建模与仿真1. 谐波的基本概念在供电系统中，交流电压和交流电流希望表示成正弦波形。

正弦电压可表示为:)sin(2)(a wt U t u +=（2-1） 式中 U —电压有效值； α—初相角；ω— 角频率，ω=2πƒ=2π/T; ƒ —频率； Т—周期。

正弦电压施加在线性无源原件电阻、电感和电容上，电流为比例、积分和微分关系，电压也为比例、积分和微分关系，仍然为同频率的正弦波。

但施加在非线性电路上时，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，也会使电压波形变成非正弦波。

当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也变成非正弦波。

对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u(ωt)，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数： ∑∞=++=10)sin cos ()(n n n nwt b nwt a a wt u （2-2）式中⎰=ππ200)()(21wt d wt u a⎰=ππ20)(cos )(1wt nwtd wt u a n⎰=ππ20)(sin )(1wt nwtd wt u b n（n=1,2,3,……）或∑∞=++=10)sin()(n n n nwt c a wt u ϕ （2-3）式中，n c 、n ϕ和n a 、n b 的关系为22n n n b a c +=)/arctan(n n n b a =ϕn n n c a ϕsin = n n n c b ϕcos =在式（2-2）或式（2-3）的傅立叶级数中，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叫谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。

以上所有以非正弦电压为例，同样适用非正弦电流的情况，把u(wt)转成i(wt)就可以了。

N 次谐波电压含有率以HR n U （Harmonic Ratio n U ）表示。

HR n U =11nU U ×100% （2-4） 式中 n U —第n 次谐波电压有效值（方均根值）；1U —基波电压有效值。

电力有源滤波器中谐波电流检测与仿真高海洲;叶天凤【摘要】在电力有源滤波器设计中,谐波电流的实时检测是控制与补偿的关键技术环节。

本文基于坐标变换和瞬时无功理论,得到谐波电流值。

为了验证理论分析,进行不控整流桥带容性负载的非线性负载仿真。

基于MATLAB/SIMULINK的仿真结果表明可以有效地得到电流中的基波和谐波成分。

%In the design of active power filter,the real-time detection of harmonic current is the key techniques of control and compensation.In the paper,based on the theory of coordinate transformation and instantaneous reactive power,it gets the value of harmonic current.Meanwhile,to verify the theory＇s analysis,it uses MATLAB to simulate the nonlinear load which is the uncontrolled bridge rectifier with capacitive load.The simulation results show that the fundamental and harmonic components of the current can be effectively got.【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】3页(P5-7)【关键词】有源滤波器;谐波电流;瞬时无功理论【作者】高海洲;叶天凤【作者单位】湖北理工学院电气与电子信息工程学院,湖北黄石435003;湖北理工学院电气与电子信息工程学院,湖北黄石435003【正文语种】中文【中图分类】TM713近年来，电力电子装置的应用日益广泛，各种电力电子装置成为主要的谐波源，谐波带来一系列的问题［4］，也加剧了对电网的污染。

科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界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。

u(t)=2√U sin(ωt+θ)(1)u(ωt)=a0+∞n=1∑a n cos nωt+b n sin nωt()(2)式中:a0=12π2π0∫u(ωt)d(ωt),a n=1π2π0∫u(ωt)cos nωtd(ωt),bn=1π2π0∫u(ωt)sin nωtd(ωt)。

频率与工频相等的分量称为为基波,频率是基波频率大于1的整数倍的分量称为谐波,其频率为基波频率的整数倍。

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图1琢茁坐标系中的电压,电流矢量PQ法的理论基础是三相瞬时无功功率理论。

三相电路瞬时无功功率理论最早在1983年由赤木泰文提出,它是以瞬时实功率P和瞬时虚功率Q的定义为基础。

电力电子系统建模与仿真
学院：电气工程学院
年级：2012级
学号：12031236
姓名：周琪俊
指导老师：舒泽亮
单相不控整流负载电流的无功、有功和谐波检测
1.理论分析
负载电流可表示为有功分量，无功分量及谐分量的和。

即下面
的表达形式：
（1）有功检测。

若在上式的两边乘上sin （wt ）则可变成下面的形式：
[][]{}
φφn n n n wt n wt n I ++-+-+∑∞=)1(cos )1(cos 22 即可表示为：
这样可以通过一个低通滤波器滤除后得Pf 直流值，将Pf 乘以sin （wt ）后就得有功分量了。

（2）无功检测。

将原始电流值减去有功检测得到的有功分量就得无功分量和谐波分量。

即：
同理将上式两边同时乘上cos（wt）后经过低通滤波后的无功的直流分量Qf，将Qf乘上cos（wt）后得无功分量。

（3）谐波检测。

将原始电流减去有功，无功分量最后可得谐波分量。

2.有功无功，谐波总体检测方案。

3.仿真电路图。

检测电路
4仿真波形。

（二 〇 一 四 年 六 月本科毕业设计说明书 学校代码： 10128 学 号：2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AbstractWith 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.目录引言 (1)第一章三相半波整流电路 (2)1.1三相半波整流电路概述 (2)1.2三相半波整流电路原理（阻感负载） (2)1.2.1三相半波阻感负载整流电路原理波形（α≤30°） (2)1.2.2三相半波阻感负载整流电路原理波形（α＞30°） (3)第二章整流电路的谐波及无功功率 (5)2.1 无功功率的概念 (5)2.2 谐波的概念 (5)2.3 谐波和无功功率分析基础 (6)2.3.1 谐波分析基础与计算 (6)2.3.2无功功率分析基础与计算 (9)2.4 无功功率的补偿方法 (11)第三章三相半波整流电路谐波与无功功率的MATLAB仿真 (13)3.1 MATLAB/ Simulink简介 (13)3.1.1 Simulink仿真环境 (13)3.1.2 Simulink的基本操作 (14)3.2 三相半波整流电路谐波与无功功率的MATLAB仿真 (15)3.2.1 三相半波整流电路谐波及功率因数的MATLAB仿真模型 (15)3.2.2 三相半波整流电路谐波及功率因数的MATLAB仿真（α=30°） .. 183.2.3 三相半波整流电路谐波及功率因数的MATLAB仿真（α=60°） .. 213.2.4 三相半波整流电路谐波及功率因数的MATLAB仿真（α=90°） .. 223.3三相半波整流电路的谐波及无功功率分析 (23)3.3.1 α=30°FFT模块的分析计算 (23)3.3.2 α=60°FFT模块的分析及计算 (24)3.3.3 α=90°FFT模块的分析及计算 (25)3.3.4 不同触发角FFT分析与计算总结 (26)结论 (27)参考文献 (28)谢辞 (29)引言现在，电力电子装置的运用越来越引起人们的关注，对于电力电子产生的谐波问题，也成了研究人员研究中的一大难题。

摘要本论文首先对国外谐波抑制技术开展现状、有源电力滤波器原理与构造及三相瞬时无功功率理论进展了综述。

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展分析的根底上，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展了仿真研究，并与基于滤波器的。

谐波检测法的仿真结果进展了分析比照。

结果说明，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。

在仿真根底上，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。

进展了软、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输出等几局部。

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展了调试。

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展了系统调试。

实验结果说明，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，数字信号处理器目录摘要 (1)第一章绪论 (4)1.1 概述 (4)1.1.1 谐波含义及其产生 (5)1.1.2 谐波的危害 (5)1.1.3 谐波研究意义 (6)1.2 谐波抑制技术现状 (7)1.2.1 无源滤波器及其应用 (7)1.2.2 有源电力滤波器开展概况 (10)1.3 本论文主要工作 (11)第二章有源电力滤波器原理和构造 (12)2.1 有源电力滤波器工作原理 (12)2.2 有源电力滤波器系统构成 (13)2.2.1 并联型有源电力滤波器 (14)2.2.2 串联型有源电力滤波器 (20)2.3有源电力滤波器的主电路 (21)2.3.1 PWM逆变器主电路 (22)2.3.2 PWM逆变器工作原理 (23)2.3.3 电流跟踪控制方式 (25)第三章瞬时谐涉及无功电流检测方法 (29)3.1 概述 (29)3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 (30)3.2.1 瞬时无功功率的根底理论 (30)3.2.2 三相电路谐波和无功电流实时检测 (33)3.3 于电流移动平均值原理谐波检测新方法 (36)3.3.1 电流移动平均值原理 (37)3.3.2 基于移动平均值原理的谐波检测法 (38)第四章电流平均值谐波检测方法仿真研究 (40)4.1 概述 (40)4.2 电流变换及移动平均值模块在Simulink下的实现 (40)4.3 电流平均值原理谐波检测在Simulink下的实现 (41)4.4 电流平均值原理谐波检测仿真结果 (43)4.4.1 负载恒定时的仿真 (44)4.4.2 负载变化时的仿真 (45)小结 (48)参考文献 (50)第一章绪论1.1概述在一个理想的发电和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电。