基于Matlab的低壓電力系統(tǒng)諧波檢測方法仿真研究

1 前言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行[1]。 國際上公認的諧波含義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。它明確了諧波次數(shù)n必須是一個正整數(shù)。由于諧波是其基波的整數(shù)倍，故也常稱為高次諧波。高次諧波產(chǎn)生的根本原因是電力系統(tǒng)中某些設備和負荷的非線性特性，即所加的電壓和產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變。造成系統(tǒng)正弦波形崎變、產(chǎn)生高次諧波的設備和負荷稱為高次諧波源或諧波源[2]。一切非線性的設備和負荷都是諧波源。 當電力系統(tǒng)向非線性設備及負荷供電時，這些設備或負荷在傳遞(如變壓器)、變換(如交直流換流器)、吸收(如電弧爐)系統(tǒng)發(fā)電機所供給的基波能量的同時，又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向系統(tǒng)倒送大量的諧波能量，使系統(tǒng)正弦波形畸變，產(chǎn)生諧波。諧波源產(chǎn)生的諧波與其非線性有關(guān)。當前，電力系統(tǒng)的諧波源按其非線性特性分主要有三類[3]： (1)電磁飽和型：各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。 (2)電子開關(guān)型：主要為各種交直流換流設備裝置(整流器、逆變器)以及雙向晶閘管可控開關(guān)設備等，在化工、冶金、電氣軌道等大量工礦企業(yè)及家用電器中廣泛使用；在系統(tǒng)內(nèi)部，則如直流輸電中的整流閥和逆變閥等，其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關(guān)切合和換向特性。 (3)電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化鋼鐵期間以及交流電弧焊接機在焊接期間，其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規(guī)則的波動，其非線性呈現(xiàn)電弧電壓與電弧電流不規(guī)則的、隨機變化的伏安特性。 由于電力系統(tǒng)施加于負荷的電壓基本不變，諧波源負荷通過從電力系統(tǒng)取得一定的電流作功，該電流不因系統(tǒng)外界條件和運行方式而改變，同時諧波源固有的非線性伏安特性決定了電流波形的畸變，使其產(chǎn)生的諧波電流具有一定的比例，因此非線性負荷一般都為諧波電流源向系統(tǒng)注入一定的諧波電流。另外，諧波電流源的諧波內(nèi)阻抗遠大于系統(tǒng)的諧波阻抗故諧波電流源在電力系統(tǒng)中一般可按恒流源對待。諧波電流源注入電力系統(tǒng)的諧波電流，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生相應的諧波壓降，便形成系統(tǒng)內(nèi)部的諧波電壓，使原有的正弦波電壓產(chǎn)生畸變。 消除電網(wǎng)諧波的最有效措施就是濾波。傳統(tǒng)的電網(wǎng)濾波方式是采用由電感、電容組成的無源濾波，但無源濾波裝置只能消除電網(wǎng)中固定次數(shù)的諧波，并且易于與電網(wǎng)阻抗相互作用產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，這樣不僅影響濾波的效果，而且反而可能使諧波放大，達不到濾波的目的。隨著能有效消除電網(wǎng)諧波的有源濾波技術(shù)的出現(xiàn)，由此技術(shù)構(gòu)成的電力有源濾波器能動態(tài)、實時地根據(jù)電網(wǎng)中的諧波成分進行諧波補償或消除，有良好的濾波效果，并且濾波特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。因此，在技術(shù)上有源濾波比無源濾波有一個大的飛躍。與無源濾波相比，有源濾波具有以下3個特點[4]： (1)不僅能抑制諧波，還可以抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點。 (2)濾波器不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。 (3)具有自適應的能力，可自動補償變化的諧波。 有源濾波器有著巨大的技術(shù)和性能優(yōu)勢。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，器件的性價比將不斷提高，有源濾波器必然會得到越來越廣泛的應用。 有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波進行補償，其中諧波電流和無功電流檢測是有源電力濾波器裝置(APF)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其檢測速度和精度直接影響著補償裝置的性能。 目前常用的諧波電流和無功電流檢測方式主要有： (1)基于頻域分析的快速傅里葉變換(FFT)檢測法。采用快速傅里葉變換，從變換的電流信號中濾除基波分量，在對余下的分量進行反變換，即可得到諧波電流的信號。該方法需要嚴格的同步采樣，否則會產(chǎn)生諧波電流泄漏；同時還有較大的時間延遲，實時性不好；適合變化緩慢的負載； (2)基于瞬時無功功率理論的檢測方法。這種方法適合于三相系統(tǒng)，該方法通過計算負載的瞬時功率，它包括直流分量和脈動分量。1)p-q法，它適用于電網(wǎng)電壓對稱且無畸變情況下的諧波電流檢測，具有較好的實時性【5】，2)ip-iq法，也具有較好的實時性，適合電流的快速檢測，當三相電壓不對稱時，該方法對基波有功、諧波和無功電流的檢測存在誤差【6】； (3)同步電流檢測法，該方法的靈活性較大，但是檢測過程中延遲較大，僅適合三相電壓均為正弦波的情況【7】。 (4)基于最小補償?shù)碾娏鞯幕冸娏鳈z測法，該方法僅在對單相、三相電網(wǎng)電壓對稱無畸變的無功電流進行檢測時才具有優(yōu)勢【8】。 此外，還有神經(jīng)網(wǎng)絡檢測法、自適應對消原理檢測法、小波分析檢測法等。這些都是極具有潛力的新型諧波電流和無功電流檢測法【9】【10】【11】【12】。 本文就基于瞬時無功功率諧波檢測法，p-q法和ip-iq法這兩種算法進行理論分析，Matlab仿真驗證和對比 2 諧波及分析工具 2.1電力系統(tǒng)諧波的基本概念 2.1.1 諧波的定義 在供電系統(tǒng)中，通常總是希望交流電壓和交流電流呈正弦波形。正弦電壓可表示為 u(t)=Usin() (2-1) 式中 U—電壓有效值; —初相角; —角頻率, ; f—頻率: T—周期。 正弦電壓施加在電阻、電感和電容這些線性無源元件上，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?#xff0c;非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā．斎?#xff0c;非正弦電壓施加在線性電路上時電流也是非正弦波。對于周期為T=的非正弦電壓u()，一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式的傅立葉級數(shù) u()= a0+ (2-2) 式中 ; ; b=; 或 u()= a0+ (2-3) 式中 c, , 和 a, b的關(guān)系為 c= ； =arctg(); a= csin; b= ccos； 在式(2-2)或式(2-3)的傅立葉級數(shù)中，頻率為1/T的分量稱為基波，頻率為大于1/T的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。國際上公認的諧波含義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。所以，諧波次

總結(jié)

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