谐波的检测分析毕业论文

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一、谐波的产生 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 ...n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。 其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3次谐波(150赫兹)。 在供电网络阻抗(电阻)下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。次数越高，谐波分量的振幅越低。 只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。 二、谐波的危害 1、降低系统容量如变压器、断路器、电缆等； 2、加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备； 3、危害生产安全与稳定； 4、浪费电能等。 三、谐波测量的主要方法 1、带阻滤波法。 这是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不用。 2、带通选频法和FFT变换法。带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量，基本原理如图1所示。利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。 这两种方法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响大，且没有自适应能力；后一种检测方法其优点是可同时测量多个回路，能自动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。 3、瞬时功率矢量法 1984年，日本学者等提出瞬时无功功率理论，并在此基础上提出了2种谐波电流的检测方法：p-q法和ip-iq法。这两种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值。ip-iq法适用范围广，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。而使用p-q法测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差。这2种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量（基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量）的测量电路比较简单，并且延时小。虽然被测量的电流中谐波构成和采用滤波器的不同，因而会有不同的延时，但延时最多不超过1个电源周期。如电网中最典型的谐波源――三相整流器，其检测的延时约为1/6周期。可见，该方法具有很好的实时性，缺点是硬件多，花费大。此理论是基于三相三线制电路。对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后构造基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波测量框图。仿真表明该方法是可行的，其检测性能优于以往的单相谐波电流的测量方法。瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测及不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。 4、小波分析法 对于一般的谐波检测，如电力部门出于管理而检测，需要获得的是各次谐波的含量，而对于谐波的时间则不关心，因此傅里叶变换就满足要求。然而在对谐波电流进行动态控制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对此傅里叶变换无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。小波变换应用在谐波测量方面尚处于初始阶段。将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析，并设计和开发基于小波变换的谐波监测仪将会是非常有意义的工作。 5、自适应检测法 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。在此基础上，又有学者提出一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。 综上所述，带阻滤波法是早期模拟式谐波测量装置的基本原理；基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法可用于谐波的瞬时检测，也可用于无功补偿等谐波治理领域，且方法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位；基于神经元的自适应谐波电流检测法和小波分析法，是正在研究的新方法，可以提高谐波测量的实时性和精度，但实际应用还有待于进一步验证。 四、谐波的抑制措施 在电力系统的设计中，加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，如：尽可能保持三相负荷平衡，避免各类电磁系统饱和，错开系统谐振点，由专门电路为谐波源负载供电等，都能减小系统中的谐波成份。但其中许多措施都会大大增加系统和设备的投资，且有些方法的效果并不一定很理想。因此，设置交流滤波器是有效抑制谐波和改善波形的积极措施，同时滤波器还能向系统提供所需的部分或全部无功。图2中，(a)为接线系统，(b)为等效电路。 整流器、逆变器等非线性负荷，因为其本身可以表示为产生高次谐波电流的恒流源，故可用图2来表示高次谐波的等效电路。 流向电网的谐波电流IS和母线的谐波电压VB可表示为： IS=InZL/(ZS＋ZL） VB=ISZS(2) 式中： IS为注入电网的谐波电流； In为谐波电流； VB为谐波电压； ZS为电网阻抗； ZL为电网负载阻抗。 该式表明，当电网阻抗(ZS)一定时，相对减小系统负载阻抗(ZL)，就可以减小流向电网的谐波电流和母线的谐波电压（电压畸变）。谐波干扰取决于流向电网的谐波电流或电压畸变的大小。抑制谐波的目的，就是要降低流向电网的谐波电流。 因此，可以采取以下措施： （1）对于电力系统，设置谐波低阻抗的分流电路，从而减小负载阻抗ZL，降低注入电网的谐波电流IS；也就是被动式滤波器，即常用的LC滤波器 （2）提供逆相位的谐波，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流In，达到消除谐波的目的。也就是能动式滤波器，即有源滤波器。 （3）防止并联电容器组对谐波的放大，在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。 （4）加装静止无功补偿装置，快速变化的谐波源，如电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时可以控制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。 （5）降低谐波源的谐波含量，在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。 （6）改善供电环境等。 六、结束语 本文详细分析了综合动态的谐波治理措施同时考虑电网无功功率补偿问题，这是电力系统目前面临的一大课题。要消除谐波污染，除在电力系统采取有效的控制措施外，还要在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的谐波控制措施，减小谐波侵入电网，从而减少由于谐波带来的巨大损失。

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Kim J, Kim J, Moon J, et al. Saturated power amplifier optimized for efficiency using self-generated harmonic current and voltage[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2011, 59(8): 2049-2058.