电力系统谐波测量系统论文（毕业设计）.doc

电力系统谐波测量摘 要近年来，随着现代工业的迅速发展，电力电子器件的应用日益广泛，随之带来的谐波污染也越来越严重，已经严重的影响到了电能质量，而且对各种用电设备的正常运行带来了消极影响。谐波测量是谐波问题研究的主要方面，实时、准确地检测电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况对于防止谐波的危害保障电网安全运行是十分必要的本文首先阐述了电力系统谐波产生的原因、谐波危害等以及电力系统各种谐波分析与检测方法。简单对傅立叶变换的谐波检测法、瞬时无功功率理论、神经网络的优缺点进行比较，为进一步的基于瞬时无功功率谐波分析与检测法研究做铺垫与参照作用。本文研究重点首先根据瞬时无功功率理论，比较了两种谐波电流的检测方法法和法。本文主要运用算法，其方法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，将原始电流信号进行按不同频带分离，进而完成基波与谐波的分离达到对电网中的谐波电流进行检测的功能。文章最后基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，并借助matlab进行了仿真，最后给出仿真结果，验证了该方法的有效性和结论的正确性。关键字：电力系统；谐波；瞬时无功功率理论；matlab仿真abstractthe underground shield is a special tunnel digging machine which integrates mechanics,electrics,hydraulics,and information technology,with the rapid step of city construct,many shields work at one time,which need high demand of operation reliability. the contents of this paper is to shield the state of monitoring equipment.shield running information collected by status monitor system are saved in the database with the type of time series. the database of the ring data to the database failure that exist in time series data for similarity comparison, view the sequence of the match,so the time series similarity-pattern to modeling is applied to realize the shield fault forecast. in this paper, the use of euclidean distance to calculate the similarity between sequences.finally,the shield fault diagnosis system based on above theories is come true with the visual studio 2008 development environment. testing in the state there are many issues worth exploring in this paper is an attempt to study, work remains to be further in-depth.keywords: underground shield; time series similarity; condition monitoring目 录1绪 论11.1谐波检测的研究背景及意义11.2国内外电力谐波检测与分析方法研究现状及发展21.3谐波抑制技术的发展现状51.4本文的主要工作62电力谐波理论介绍82.1电力谐波的基本概念82.1.1谐波的表示方法82.1.2谐波的特征量92.2电力谐波产生的原因102.2.1发电源质量不高产生谐波112.2.2用电设备产生谐波112.3电力谐波的危害122.4电力谐波的抑制措施162.5本章小结193电力谐波电流的检测与分析方法203.1基于傅立叶变换的谐波检测与分析方法203.1.1傅立叶级数的三角函数和指数表示形式203.1.2离散傅立叶变换223.1.3快速傅立叶变换223.1.4减小泄漏和其它误差的快速傅立叶变换改进算法243.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测与分析方法253.2.1传统的功率理论263.2.2三相瞬时无功功率理论273.2.3谐波电流的检测方法333.3基于算法的谐波电流检测方法的实现373.3.1正余弦函数的产生373.3.2数字低通滤波器的设计373.4一种改进的谐波和基波检测方法383.5本章小结414仿真结论434.1matlab简介434.2仿真模型的建立444.3仿真结果45结 论47致 谢48参考文献49附录a 英文资料及翻译50iii1 绪 论1.1 谐波检测的研究背景及意义电力系统的谐波问题早在20世纪20、30年代就引起了人们的注意，当时在德国，使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年j.c.read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发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文，e.w.kmbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电子技术的飞速发展，电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危益严重。谐波的研究具有重要意义，首先是谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。其次，谐波研究的意义还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护己成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的抑制也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。在国际上，许多国家都先后对电网中的电压畸变，各次谐波电压、谐波电流的数值、测量方法及非线性负荷的管理等制定了相应规定来加以严格限制。我国过去对电网中的谐波问题未加重视和研究。但是近年来由于电气化铁路的大量出现，以及可控硅整流装置的广泛应用，不少电网中的高次谐波含量的数值已大大超过了国际上公认的标准。据我国电力科学院系统研究所对西南、西北、华中、华北等地区重点电网测试的结果来看，我国电网的谐波污染已很严重。为了更好的采取措施对电网谐波含量加以限制，必须具有相应的监测手段。为此，除了引进发达国家研制的谐波监测仪器外，还应当研究符合我国电网现状的谐波分析方案，以提高电网谐波监测分析水平，这对于抑制高次谐波含量是十分必要和有价值的。最近十几年间，对电力系统谐波问题的研究，己经超出了电力系统自身的研究范围。渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、通信理论、电力电子学、网络理论和非线性系统理论等其它学术领城。同时，电力系统谐波问题己经受到了世界各国经济、行政管理部门的重视，不少国家已先后制定了限制电力系统谐波的标准，其中也包括一些限制和管理措施。如许多国家相继颁发了限制带有电子控制器件的家用电器和低压电器产生谐波的标准。国际电工委员会iec)、电气和电子工程师协会()等国际学术机构，也成立了专门的电力系统谐波工作组，在世界范围开展包括制定标准和定期召开国际学术会议等项内容的工作。尽管近十几年来，对电力系统谐波问题的研究取得了很大进展。在学术上还有许多问题需要人们去研究解决、在解决这些问题的同时，才能真正谈其制定合适的法规或标准来限制和管理电力系统的谐波，并对其进行有效的抑制，这些问题可归纳为：如何从器件(如：变压器和其它电磁路件、换流器、特别是各种电力电子器件等)的角度出发去分析和理解谐波产生的原因：如何利用先进的信号分析设备、数字仪器、智能仪表等对谐波的幅值和相位进行准确的测量；如何利用网络分析方法对谐波分布进行分析，如何建立模型和进行数字仿真；如何从谐波角度去衡量电能的质量。通过对这几方面问题的研究，将会导致新技术乃至新的边缘分支学科地诞生。1.2 国内外电力谐波检测与分析方法研究现状及发展 谐波检测方法是谐波检测的核心环节，也是各文献着重论述和相互区别所在。谐波测量一般包括三个步骤：信号预处理；谐波幅值和相位测量；结果再处理.其中信号预处理和结果再处理是辅助算法，为谐波测量服务，以优化测量性能，达到实际应用的目的。谐波测量方法虽然在算法设计和现实中占据主导地位，但辅助算法在很大程度上决定了其能否预期执行和装置的可靠性，故不能忽视对它的设计.实践表明，获得一个时滞性小，去噪声能力强，同时为后续分析提供高精度谐波特征的辅助算法并不容易。辅助算法的选择主要取决于以下因素：实际输入信号的动态特性与所要求的理想信号符合程度；数据处理性能；给定的时间响应和精度要求；软硬件实现约束条件。目前国内外谐波检测与分析方法可分为：1 采用模拟带通(或带阻)滤波器测量谐波最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法的优点是结构简单，造价低，输出阻抗低，结果易于控制.该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。2 基于傅立叶变换的谐波检测与分析随着计算机和微电子技术的发展，基于傅立叶变换的谐波检测是当今应用最多也是最广的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此方法测量谐波精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间延时，检测结果实际是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。而且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量精度的要求，必须对算法进行改进，以达到要求值。3 基于瞬时无功功率的谐波检测与分析1989年，日本学者h.akagi等人提出瞬时无功功率理论，根据此理论可以得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，将其分解为交流和直流，其交流部分对应于谐波电流，由此可以计算谐波分量。基法、法能够准确测量对称的三相三线制电路谐波值。它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；而在电网电压畸变时，使用此法测量谐波存在较大的误差。由于此理论基于三相三线制电路，必须首先构建三相电路才能进行谐波测量。这两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，并且延时少，虽说被测量对象电流中谐波构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期，对于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。但硬件多，花费大。针对此方法的缺点，有学者提出一种能适用于任意非正弦、非对称三相电路的基于坐标系下广义瞬时无功功率的新理论的测量方法。该方法较好地解决了前两种方法中存在的问题，但在目前条件下，由于耗费大，采用这种方法相比之下是得不偿失的。4 利用小波分析方法进行谐波检测与分析小波分析(wavelet analysis)作为一种新兴的理论是数学发展史上的重要成果，它无论是对数学还是对工程应用都产生了深远的影响，小波分析己经广泛应用于数学、信号处理、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。作为一种时频分析理论，小波分析被认为是傅立叶分析发展的新阶段，它来自于傅立叶分析，其存在性的证明依赖于傅立叶分析，因此它不能代替傅立叶分析，但它所具有的优良特性(如方向选择性、可变的时频域分辨率及分析数据量小等)是其它分析方法(傅立叶分析、快速傅立叶变换)无法比拟的。这些良好的分析特性使得小波变换已成为信号处理的一种强有力的新工具。小波分析克服了傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度上会明显表现出高频、奇异高次谐波的特性，特别是小波包具有将频率空间进一步细分的特性，将为谐波分析提供可靠依据。通过对含谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流信号的各个尺度的分解结，利用多分辨的概念，将低频段(高尺度)上的结果看作不含谐波的基波分量，基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，该方法计算速度快，能快速跟踪谐波的变化。若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 基于神经网络的谐波检测与分析神经网络理论是最近发展起来十分热门的交叉边缘学科，它涉及了生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有非常广阔的应用前景，它的发展对未来的科学技术的发展将有重要的影响，神经网络就是采用物理可实现的系统来模仿人脑神经网络的结构和功能系统，它之所以受到人们的普遍关注，是由于它具有本质的非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力。将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择，目前已有一些研究成果。文献提出了基于人工神经网络的电力系统谐波测量方法。该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络，建立了相应的谐波测量电路，并给出了电路的训练算法和步骤，提出了训练样本的形成方法.仿真结果表明了此方法的有效性.文献将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，矩阵作为输入，建立相应的测量电路，这种方法的自适应能力较强。谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，求解方法从直观的函数解析过渡到精确的分析和信号处理；谐波检测效果向高精度、高速度和实时性好的方向发展，现有方检测精度高则速度慢，检测速度快则精度低或实时性不好。故必须研究新的谐波特辨识方法和数学方法，以满足高精度测量的要求；谐波检测及量、分析与控制一体化、集成化，使测量系统低成本、高性波检测理论体系并建立新体系，提出新的谐波检测方法。1.3 谐波抑制技术的发展现状为了解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此， 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 (activepowerfilter-apf)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制控制技术 ()的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1，这种变流器被称为单位功率因数变流器。高功率因数变流器可近似看成为单位功率因数变流器。大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，当然电路结构也越复杂。多重化技术如果能与技术相配合，可取得更为理想的结果。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用pwm整流技术。迄今为止，对pwm逆变器的研究已经很充分，但对整流器的研究则较少。对于电流型pwm整流器，可以直接对各开关器件进行正弦控制，使得输入电流接近正弦波且和电源电压同相位。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波频率很高，因而容易滋除。同时，也得到接近l的功率因数。对于电压型整流器，需要通过电抗器与电源相连。其控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到与电源电压同相位、由负载电流大小决定其幅值的电流指令信号，并据此信号对整流器进行电流跟踪控制，间接电流控制就是控制整流器的入端电压，使其为接近正弦波的波形，并和电源电压保持合适的相位，从而使流过电抗器的输入电流波形为与电源电压同相位的正弦波。整流器配合变流器可构成理想的四象限交流调速用变流器，即双变流器这种变流器，不但输出电压、电流均为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可实现能量的双向传送，代表了这一技术领域的发展方向。小容量整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加斩波的方式。这种电路通常称为功率因数校正电路，己在开关电源中获得了广泛的应用，因为办公和家用电器中使用的开关电源数极其庞大，因此这种方式必将对谐波污染的抑制做出巨大贡献。1.4 本文的主要工作本文根据目前电力系统谐波检测与分析方法的实际应用，对基于傅立叶变换的谐波测量和基于瞬时无功功率的谐波检测与分析方法进行详细的分析和阐述。然后对电力系统的谐波检测进行了总结和讨论，最后通过一个实际谐波检测和抑制的例子阐述了谐波检测和抑制的方法和意义。具体内容安排如下:在绪论中介绍谐波分析、检测和抑制的研究背景、意义、现状和发展趋势。在第二章中，对电力谐波的基本概念和特征参数进行了阐述，研究了谐波产生的原因和谐波的危害，以及谐波抑制的方法和实际应用价值。在第三章中，详细阐述了基于傅立叶变换和瞬时无功功率理论的电力系统谐波检测和分析方法，并给出了相应装置的框图，通过比较得出一定的结论。 在第四章中，运用所介绍的理论和方法，采用瞬时无功功率理论的ip-iq算法，并借助matlab进行了仿真模型，并最后给出仿真结果，验证了该方法的有效性和结论的正确性。 2 电力谐波理论介绍“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪己经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20、30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年j.c、read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发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大盆论文。70年代以来，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.国际上召开了多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。2.1 电力谐波的基本概念国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波.谐波频率与基波频率的比值（）称为谐波次数.电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰盆，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制。2.1.1 谐波的表示方法谐波可以根据周期性波形，用傅立叶级数分解得到。习惯上，认为电网稳的供电电压波形为工频正弦波形其数学表达式为： （2.1.1）式中一 电压有效值；一 初相角；一 频率； t一 周期。正弦电压施加在线性无源元件如电阻、电感和电容上，其电压和电流分别为比例 ()、微分()和积分()关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波。对于满足狄里赫利条件非正弦电压可分解为如下的傅立叶级数： （2.1.2）其中 或 (2.1.3)式中、和、的关系为在式(2-1-2)或式(2-1-3)的傅立叶级数中，频率为的分量称为基波，频率为的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。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中转成即可。2.1.2 谐波的特征量为了表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量有谐波含量、谐波总畸变率和第次谐波的含有率。1 谐波含量所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。谐波电压、电流的谐波含量为： (2.1.4) (2.1.5)2 谐波总畸变率谐波总畸变率可分为电压总畸变率和电流总畸变率，可分别定义为： （2.1.6） （2.1.7）式中：基波电压有效值，一基波电流有效值。3 第次谐波的含有率第次谐波电压含有率以表示。 （2.1.8）式中 第次谐波电压有效值(方均根值)；第次谐波电流含有率以表示。 （2.1.9）式中 第次谐波电压有效值(方均根值) 公用电网的电压总畸变率应该被限制在之内。当电力系统中存在具有非线性的用电设备时，即使给这些设备供给理想的正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在.含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，如各种硅整流装置、晶闸管等，它们遍布于电力系统中，按一定的规律开闭不同的电路，将谐波电流注入系统。另外还有其他会产生谐波的设备，主要是含有铁磁非线性元件的设备，如旋转电机、变压器等。2.2 电力谐波产生的原因在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作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，使电能质量变坏。因此，谐波含量是电能质量的重要指标之一。在电力系统中的发电，输电、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。2.2.1 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，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。2.2.2 用电设备产生谐波1 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广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。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。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近，这是最大的谐波源。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。2 电弧炉、电石炉由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，从而引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角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、，最大可达。3 气体放电类电光源荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流.4 家用电器电视机、录像机、计算机、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使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。2.3 电力谐波的危害谐波对供电系统和用电设备危害主要表现有以下几方面：一、增加输、供和用电设备的额外附加损耗由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应(当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的“集肤效应”)的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。1 对旋转电机的影响谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁心中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。总的谐波损耗可用下式表示： （2.3.1）式中：为定子第次谐波电流有效值； 为转子第次谐波电流有效值； 为定子基波电流有效值； 为次谐波频率下考虑集肤效应的每相定子电阻； 为次谐波频率下考虑集肤效应的每相转子电阻(折合到定子侧)；为电机的功率。为转子谐波铜耗；为谐波铁耗和谐波杂质损耗，另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。转子第次谐波电流与基波旋转磁场产生的脉动转矩可由下式表示： (2.3.2)式中：为转子基波电势(折算到定子侧)；为定子基波频率；为电机的极对数。2 对变压器的影响变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应（相邻导线流过高频电流时，由于磁电作用使电流偏向一边的特性，称为“邻近效应”)，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加，其附加损耗可用下式表示： （2.3.3）式中：为通过变压器的k次谐波电流；为变压器的短路电阻；为考虑集肤效应和邻近效应影响系数。另外3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。3 对输电线路的影响由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加.在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载供配电线路中的中性线过热。因为在三相系统中，每个相线对星形接法的中性点电压间有120度的相位差，当每相的负荷相等时，在中性线上的合成电流为零，虽然基波电流可互相抵消，但谐波电流都是奇数位，尤其是三次序列(3，9，15次等)的谐波电流在承载不平衡电流的中性线内则是益加的。另外，谐波次数越高，谐波电流就越趋向表面，当频率在以上(亦即7次谐波及以上)时，集肤效应将变为显著。其结果是导线截面内流通的电流减少了，而导线外表面的电流密度则增大了，从而使导线的温度升高。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大倍，而感抗约为架空线路的，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。4 对电力电容器的影响因电容器的容抗，与频率成反比，因此在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形崎变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起很大的谐波电流，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏。二、对测量表计的影响1 对电压表的影响研究各种电表在畸变电压波形下的反应，一般从频率特性着手，即观察各种电表在同一有效值但频率不同的正弦波形下的指示变化。畸变波形下电压表的误差与电压表的频率特性之间的关系可用下式表示： （2.3.4）式(2.3.4)中：为畸变波形下电压表的相对误差；为畸变电压的总有效值；认为各次谐波电压分量的有效值；为各次谐波频率下的频率误差，取自频率特性。2 对电流表的影响电流表的频率特性要比同系电压表的频率特性好得多。由于电流表所加的是电流源，因此电流表的内电感不影响通过电表的电流，所以电流表指示基本上不随频率而改变。3 对功率表的影响测量有功功率大都采用电动系或铁磁电动系功率表，它们有较好的频率特性，作为监测使用，一般能满足要求。至于无功功率的测量，对于不对称的三相电路，即使波形是正弦的，三相无功功率表的读数己毫无意义；如果波形畸变，不但三相无功功率的读数无意义，单相无功功率表的读数也不代表任何内容。4 对电度表的影响只有相同频率的电压和电流才能构成功率。当输入的电压和电流只有一方含有谐波时，虽然在电路中该次谐波的真实功率是零，单在电度表内，它和输人的纯正弦工频电量因畸变而引起的同频率谐波分量相互作用，仍形成虚假的谐波功率，使电能测量出现随机的或正或负的误差。这种误差虽有可能部分相互抵消，但仍可能存在，致使电能计量失准。三、影响继电保护和自动装盆的工作及其可靠性对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高.如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动作，严重威胁电力系统的安全运行。四、干扰通信系统的工作电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场祸合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度.，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流()换流站换相过程中产生的电磁噪声 ()会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。五、影响家用电器设备的使用和寿命低压电网上的谐波畸变电压与电视图形之间有一明显的相互关系，会对电视机的图形效果产生影响.数字电路所用逻辑组件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限，如果谐波的干扰超过其容限，就可能会破坏触发器和存储器所保存的信息，排除干扰后，它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹，系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器的系统程序没有遭到破坏，若地址总线受到干扰，也会有程序失控的危险，使系统进人预想不到的状态，甚至陷人意外停机状态。这就是个人计算机对低质全的主供电源十分敏感并要求供电电源总的谐波电压畸变的原因。谐波的热效应对白炽灯的寿命影响很大，其等式为：式中：为灯泡寿命 (以额定寿命为基准值)；为均方根电压标么值(以额定寿命为基准值)；为基波电压的标么值(以额定值为基准值)；为波形畸变系数.值得注意的是，畸变系大，会显著缩短灯泡寿命：而改变谐波电压相对来说比改变畸变系数影响更大。2.4 电力谐波的抑制措施一、加强谐波污染源的监测主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波抑制准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求:对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。二、在谐波源处加装滤波装置吸收谐波电流这类方法是对己有的谐波进行有效抑制的方法，是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：1 无源滤波器简单的滤波器是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。难以滤除频率较低、幅度较大的畸变波。滤波器一般采用与谐振源并联方式接入配电系统，三相连接可接成型或型。但三次谐波滤波器有一点特殊，因为三次谐波主要为零序谐波，大部分流经n线，因此有些三次谐波滤波器采用在n线上串接的方式。如公司的，其工作原理与并联型滤波器的相反，是在的谐振频率产生高阻抗，而对非的其它频率电流阻抗很小，其结果是大部分三次谐波电流被阻断。无源滤波器安装在电力电子设备的交流测，由元件构成谐振回路，当回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能：耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。2 有源滤波器早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点：在性价比上较为合理:滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国目前仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。如图2.4.1所示为有源滤波器原理框图。图2.4.1有源滤波器原理框图3 混合法波器图2.4.2为最基本的混合型有源电力滤波器(电压型)原理图，图中为交流电源，负载是谐波源，滤波器由无源滤波器()和有源电力滤波器()组成。谐波主要由无源滤波器补偿，起改善滤波器滤波特性作用，提高总体补偿效果，而且它能有效克服滤波器易与电网阻抗发生谐振的缺点。电路由指令电流运算电路和补偿电流发生电路(包括电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路)组成。指令电流运算电路用来检测补偿对象的谐波成分，主电路采用脉宽调制控制的变流器。指令电流运算电路检测出补偿对象的电压和电流后，发出补偿信号，电流跟踪控制电路接到此补偿指令信号后并进行处理、放大，控制驱动电路工作，输出受控的功率触发信号驱动主电路产生补偿电流，与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而相互抵消，使电源电流中只含基波不含谐波，从而达到抑制谐波的目的。这种对谐波补偿是一种动态补偿，响应很快，即使补偿对象电流较大，该装置也不会发生过载。另外补偿性质不受电网频率变化的影响，且不易与电网阻抗发生谐振，因此是一种较好的抑制谐波的电路。图2.4.2 混合型有源电力滤波器原理图三、加装静止无功补偿装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，同时可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。四、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。六、增加换流装置的相数换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为和 (为整流相数或脉动数，为正整数)。当脉动数由增加到时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为和 )，从而大大地降低了谐波电流的有效值。2.5 本章小结本章首先对电力谐波的基本概念和产生机理进行了讨论，研究了电力谐波产生的原因，谐波的传递和谐波的危害。为进行电力谐波的分析、检测和抑制奠定了基础。其次介绍了谐波抑制得方法；在抑制谐波时，应充分考虑各种因素的影响，兼顾各个指标，选择合理有效的滤波方案；采用滤波器，应以滤波器组的综合滤波效果为原则，严格避免谐波放大现象的发生:滤波电容器电容量的选择既要满足滤波的要求，也要考虑无功补偿的需要，还应使电容器能承受过电流和过电压的影响：有源滤波器是一种新型动态滤波器，其谐波抑制能力大大优于滤波器。随着对谐波问题的日益重视和有源滤波器成本的逐步降低，有源滤波器将具有广阔的应用前景。3 电力谐波电流的检测与分析方法谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。对抑制谐波有着重要的指导作用，是进行继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。准确、实时地检测出电网瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究地目标。谐波检测方法按原理可分为：模拟滤波器；基于傅立叶变换的谐波检测法；基于瞬时无功功率理论的谐波检测法；基于神经网络的谐波检测法；基于小波分析的谐波检测法；谐波检测的主要作用有：鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。3.1 基于傅立叶变换的谐波检测与分析方法机电系统的结构层次多，各个单元、部件间互相关联及元部件的多样性使系统建模困难。同时在故障诊断过程中，由于故障的突发性、随机性强，系统可靠性能分布统计特征不稳定及故障表现形式的多态性，给故障诊断推理逻辑的设计、故障源的正确定位带来困难。盾构机的工况条件变化大、并存在过程不确定和外部干扰等因素，根据 盾 构 机的机电系统结构特点及工作原理，运用领域专家知识，整个盾构机的故障主要可以分成三个单元故障 刀盘单元、推进单元以及螺旋机单元。3.1.1 傅立叶级数的三角函数和指数表示形式一个周期为的周期性函数可表示为： (3.1.1)若该函数满足狄里赫利条件，就可分解成无限个三角级数的展开形式: (3.1.2)式中和的关系为 ：周期函数基波的角频率；：各频率成份的振幅；：各频率成份的初相角；利用其正交性容易求得各系数的计算式为: (3.1.3) (3.1.4) (3.1.5)这种算法在计算机上实现时，就是对离散的采样值进行运算，则: (3.1.6) (3.1.7)其中：；：一个周期t中的采样数；：第个采样值。因为指数函数组，（)是一个完备的正交函数，所以一个周期函数也可由指数函数的线性结合来表示: ，（） (3.1.8) 式中：由于指数函数是完备的正交函数组，利用正交性可求上式各项系数为:， (3.1.9)将上式与(3.1.2)式比较可得第次谐波项 ， (3.1.10)式中：和为实数