电力系统谐波及检测方法的研究

. . 山东农业大学毕 业 论 文 电力系统谐波及检测方法的研究院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气班 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 年月日装订线. . . 29目 录摘要IIAbstractII1 引言21.1 课题研究背景与意义21.2 谐波检测方法及其发展过程21.3 谐波检测的发展趋势21.4 谐波的常见抑制方法21.5 本文的写作内容22 谐波相关知识的介绍22.1 谐波的定义22.2 谐波的数学表达22.3 谐波的指标22.4 谐波的产生22.5 谐波的危害22.6 谐波治理标准23 谐波的常见治理方法23.1 加装无源滤波器（PPF， passive power filter）23.1.1 无源滤波器的定义及分类23.1.2 无源滤波器治理谐波的原理23.1.3 无源滤波器的优缺点23.2 装设静止无功补偿装置23.2.1 静止无功补偿器的概述23.2.2 静止无功补偿器的分类23.2.3 静止无功补偿器的应用23.3 有源电力滤波器补偿法23.3.1 有源滤波器的特点及分类23.3.2 有源滤波器的基本原理24 谐波检测方法24.1 模拟滤波器法24.2 小波变换法24.3 基于人工神经网络的谐波检测法24.4 基于傅里叶变换的谐波检测法24.4.1 傅里叶变换检测法的原理24.4.2 傅里叶变换的谐波检测的优缺点24.4.3 FFT应用实例24.5 三相电路瞬时无功功率理论24.5.1 基于瞬时无功功率理论的 p-q谐波检测法24.5.2 基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法25 基于瞬时无功理论的p-q法的仿真2参考文献2致谢2附录28ContentsAbstractII1 Introduction21.1 Research background and meaning21.2 Harmonic detecting method and its development process21.3 The development trend of harmonic detection21.4 Common harmonics suppression methods21.5 The content of this artical22 Introduction to harmonic knowledge22.1 Definition of a harmonic22.2 Mathematical expression of harmonic22.3 Harmonic indicators22.4 Harmonic generation22.5 Harm of harmonic22.6 Harmonic standards23 The Common methods of harmonic controlling23.1 Installation of passive filter23.1.1 Definition and classification of passive filters 23.1.2 The principle of passive power filter harmonic23.1.3 Advantages and disadvantages of passive power filter23.2 Installation of static var compensation device23.2.1 An overview of static var compensator23.2.2 Classification of static var compensator23.2.3 Application of static var compensator23.3 Compensation method of active power filter23.3.1 Characteristics and classification of APF23.3.2 Basic principles of active power filter24 Harmonic detecting method124.1 Method of analog filters24.2 Wavelet transform method24.3 Harmonic detection method based on artificial neural network24.4 Harmonic detection method based on Fourier transform24.4.1 Principle of Fourier transform method24.4.2 Advantage and disadvantage of Fourier transform24.4.3 FFT application examples24.5 Three-phase circuit instantaneous reactive power theory24.5.1 P-Q harmonic detection method24.5.2 ip-iq harmonic detection method25 Simulation of p-q method based on instantaneous reactive power theory2References2Acknowledgement2Appendix28电力系统谐波及检测方法的研究（山东农业大学 机械与电子工程学院 ）摘要：近些年来，随着电力市场的不断开放，促进了电力电子技术的空前发展，电能的质量问题也引起了越来越普遍的关注。因为电网中具备非线性用电特性负荷数量一直在增加，产生的大量谐波对电网的污染日益严重，影响到了供电质量以及用户利用的安全性，因而电网谐波及其抑制技术也成为国内外关注的热点课题，为了保证谐波能够得到有效的抑制，我们需要了解谐波的必要的检测方法，这是进行谐波抑制的基础。本文首先介绍了目前国内外对于谐波检测方法的研究现状以及对于对其研究的意义；其次，针对谐波问题，叙述了谐波的相关概念、产生的原因和危害以及国家规定的相关谐波标准；然后介绍了谐波检测的方法，并对常见的谐波抑制方法作了一定的介绍。最后着重研究了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，并通过MATLAB对其进行仿真，进而表明了该方法对于谐波检测具有不受电网电压影响的特点，并也具有良好的检测实用性。关键词：电力系统 谐波检测 有源滤波器 MATLABStudy of Power System Harmonic and Its Detecting MethodHongan Wang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University,Taian, Shandong 271018)Abstract In recent years, with the opening of the electricity market, contributed to the unprecedented development of power electronics, power quality problems also attracted more and more attention. Because grid in the has nonlinear electricity characteristics load number has been in increased, produced of large harmonic on grid of pollution increasingly serious, effects to has powered quality and user using of security, thus grid harmonic and inhibit technology also became both at home and abroad concern of hot subject, to guarantee harmonic can get effective of inhibit, we needs understanding harmonic of necessary of detection method, this is for harmonic inhibit of based. Firstly, the current research situation of detection method for harmonic for the significance of the research and, secondly, for harmonic problems in describing related concepts, causes and harm of harmonics and harmonic standards stipulated by the State; and introduced the method of harmonic detection and common introduced certain harmonics suppression methods. Finally focuses on the harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory and its simulation by MATLAB, then show that this method for harmonic detection has not affected by voltage characteristics and also has good test availability.Key words: Power system; Harmonics detection; Active power filter; MATLAB1 引言1.1 课题研究背景与意义“谐波”一词最早起源于声学。对于谐波的数学分析在18世纪和19世纪就已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。在20世纪30年代，由于静止汞弧变流器在早期工业发达国家的使用产生谐波，电力系统的电压波形不再是标准的正弦波波形，从此谐波污染问题也开始引起人们的广泛关注。早期有代表性的对谐波研究的著作是由学者J.C.Read于1945年发表的The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristice。到 50-60 年代，与高压直流输电技术发展的同时，由变流器引起电力系统谐波污染问题的大量论文相继发表，E.W.KimbarkDirect current transmission一文中系统归纳了谐波污染问题。70年代后，随着电力电子技术的发展，大量的非线性元件的使用，产生了大量的谐波，而由谐波引发的事故则频频发生，且危害深重。国际上针对电网系统深受谐波污染的问题曾召开了多次学术会议，始于1984年每隔一年召开的“电力系统谐波国际会议”推动了谐波领域的交流和发展，大量国际学术组织对电力系统谐波及用电设备谐波的标准和规定进行具体限制，与此同时，对谐波问题的研究也快速发展起来。1在谐波污染的问题研究上，我国起步相对较晚。1988年由吴竞昌等人出版的电力系统谐波是我国有关谐波问题研究较有影响力的著作。早期在国内有较大影响的代表性著是:1991年由唐统一等人和容建等人分别翻译了J.Arrillaga的电力系统谐波一书、1994年由夏道止出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波。近年来由王兆安等人于2005年出版的谐波抑制和无功功率补偿（第二版），这本书是迄今为止，在国内对谐波分析及治理介绍比较全面的著作。1随着我国国家经济的发展以及科学技术的进步，各种大容量的非线性负荷，尤其是大容量的电力电子负荷的出现，其造成的谐波电流对电力系统各种用电设备及其用户和通信线路的不利影响日趋严重。所以谐波的治理和抑制对于我国而言是相当有必要的，但是，我们如果想能够对谐波进行治理和抑制，首先我们应该能够检测出谐波来，检测出谐波是对谐波进行抑制的前提和基础。1.2 谐波检测方法及其发展过程目前国内外谐波检测的方法主要有以下几种方式2：（1）傅立叶变换法（2）小波变换法（3）瞬时无功法（4）自适应滤波法 （5）神经网络法（6）模拟滤波器法。下面我们会对其进行一定的介绍。谐波检测实现技术的发展过程大致可以分成三个过程：首先是由L、C、R组成的模拟滤波器，在二十世纪七十年代之前，它是主要的测量谐波的实现方法，而且目前也还在被应用；然后是不可编程电子器件，随着二极管、三极管的面世，使得越来越多的电子器件被用来对谐波进行检测；最后是可编程的器件，从电子管面世后，尤其是在二十世纪七十年代之后，伴随着电力电子技术的发展，涌现出了各种各样的可编程器件，从而使得以前难以实现的复杂算法可以通过可编程器件得以实现。由于其在实际应用中表现出的巨大的优越性使得它得到了快速的发展，进而产生了许多的可编程器件，比如我们常见的计算机、微处理器和众多的数字信号处理器等等。而且由于它表现出来的巨大的优越性，使得它成为目前最主要的检测谐波的方式。1.3 谐波检测的发展趋势谐波检测的主要发展趋势有以下几个发展方向3：谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐波(波动谐波、快速变化谐波)检测。谐波检测方法研究将以改善FFT为主转向探索新的有效方法。谐波检测实现技术研究将以模拟电路技术和不可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术特别是DSP技术4。谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。1.4 谐波的常见抑制方法提高电能质量、净化电网的一个重要方面就是对电力系统谐波进行抑制。关于抑制谐波的方式主要有3种途径5：第一种就是在谐波源上采取措施，也就是从改进电力电子装置自身入手，使得注入电网的谐波电流含量降低，也就是说以最大的限度避免谐波的产生；第二种则是在电力电子装置的交流侧利用无源滤波器和有源电力滤波器对谐波电流进行补偿，此类方法属于对那些已经产生的谐波进行抑制的有效方法；第三种则是改善和提高供电的环境。1.5 本文的写作内容第二章 本文首先给出谐波的定义、数学表达和指标，然后对谐波的产生原因、危害做一定的介绍，最后给出国家的谐波治理标准。第三章 对谐波治理和抑制的方法做一定的介绍第四章 对谐波检测技术的介绍第五章 通过MATLAB对其中的一种检测技术进行仿真2 谐波相关知识的介绍2.1 谐波的定义电力系统中有非线性（时变或时不变）负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅里叶级数展开，就是人们称的电力谐波。2.2 谐波的数学表达在习惯上，我们认为电网的稳态供电电压的波形为工频正弦波形，其数学表达式为ut=2U）其中蠅 2蟺T 式中 U-电压的有效值，其幅值为2U; D_Dd_ 设对于周期为T的谐波信号都采取均匀同步采样，每个周期采样N点。得到采样序列un、in，则电压、电流的有效值为： 有功功率： 视在功率： S=UI无功功率： 功率因数： 2.3 谐波的指标为了定量表示电力系统中正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量(HR)和总谐波畸变率(THD)来表示的下列波形畸变指标。在电力系统中，通常用某次谐波幅值的均方根值与基波幅值的均方根值的百分比表示该次谐波的含量，称为该次谐波的含有率，我们用HR来表示。h次谐波电压的含有率为： HRUh=式中Uh-第h次谐波电压均方根值； U1-基波电压的均方根值。h次谐波电流的含有率为： HRIh=式中Ih-第h次谐波电流均方根值； I1-基波电流的均方根值。总谐波畸变率THD表示，它等于各次谐波均方根值的平方和的平均方根值的百分比。电压总谐波畸变率的表达式为 THDU= 电流总谐波畸变率的表达式为 THDI= _2.4 谐波的产生谐波产生的原因有很多，但主要的产生原因是大量非线性元件的应用。随着电力电子技术的不断发展，出现了各种各样的电子器件，而这些器件多是非线性的。产生谐波的元件主要有：发电机（三相绕组与铁芯的不对称）、电力变压器（变压器的铁心饱和以及其磁化曲线的非线性）、晶闸管整流设置（晶闸管整流装置是通过移相控制的方式，所以其从电网吸收到的是缺角的正弦波，那么给电网留下的也理应是另一部分缺角的正弦波，显然在留下的部分中含有大量的谐波）、电弧炉和电石炉、气体放电类电光源（比如荧光灯、高压钠灯等）、家用电器（常见的有电视机、录像机和计算机）。由统计数据可知：谐波的40%含量是由整流装置产生的，它是最大的谐波源。2.5 谐波的危害单一且固定的频率和规定的电压幅值是公用电网所需要的理想电压，而谐波电压和谐波电流的出现，对于公用电网无疑是一种污染，它将用电设备置于一个比较恶劣的环境中，并且对于周围的通信系统以及公用电网以外的设备也造成了危害。谐波对于公用电网以及其他除公用电网以外的系统的危害主要可以总结为以下几个方面6：(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电以及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至是发生火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响出了引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，谐波还使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而引起谐波放大，这就使上述的(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重的事故。(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准确。(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量；重者则会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。2.6 谐波治理标准GB/T 14549-93电能质量 公用电网谐波7，该标准对不同的电压等级各次谐波的允许注入值都作了具体规定，其规定公用电网的谐波电压（相电压）限值如表2-1。表2-1 公用电网的谐波电压（相电压）电网标称电压KV电网的总谐波畸变率% 奇次谐波电压含有率%偶次谐波电压含有率% 0.385.04.02.064.03.21.6104.03.21.6353.02.41.2663.02.41.21102.01.60.83 谐波的常见治理方法本文中我们主要讲述对已经产生的谐波进行抑制的有效方法8。在谐波源装置已经确定的情况下，在谐波源处安装滤波设置来吸收谐波电流，是防止谐波电流注入电网的有效措施。对于用户侧的谐波治理，目前我们通常采取接入无源滤波器、有源滤波器或者两者的组合。这是目前电力系统抑制谐波的诸多方法中使用最广泛的，主要分为以下几种：3.1 加装无源滤波器（PPF， passive power filter）3.1.1 无源滤波器的定义及分类无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波(3、5、7)构成低阻抗旁路;单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器9。LC滤波器的特性应能满足规定的技术指标要求，这些技术要求通常是频率域的工作衰减，或是相移，或是二者兼有；有时则提出时间域的时间响应要求。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率。高通滤波器也称为减幅滤波器，主要包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c型滤波器，用来大幅衰减低于某一频率的谐波，该频率称为高通滤波器的截止频率。以下是几种常见无源滤波器的接线方式如图3-1：图3-1 滤波器的接线方式(a) 单调谐滤波器 (b) 双调谐滤波器 (c)一阶减幅型滤波器 （d）二阶减幅型滤波器 （e）三阶减幅型滤波器 （f）C型滤波器3.1.2 无源滤波器治理谐波的原理无源滤波器由LC等被动元件组成，完成滤除谐波兼顾无功补偿的作用。它的主要工作原理是电路的串联谐振，在某一个谐波频率下，当电抗器的感抗与电容器的容抗相同时，其串联的等效电抗值很小，对相应的频次谐波表现出低阻抗，从而对流向系统或者其他负荷的谐波电流进行有效地抑制，系统的电压畸变情况也会得到改善，但是不足的是无源滤波器只能滤除某频率范围内的谐波。图3-2 无源电力滤波器的主回路原理图图3-3 无源滤波器的谐波等效电路在图3-3中，我们可以得到：Zf=R+j(h 1h蠅C)Is=ZfZf+ZsIh从上式中我们可以看出，要想使流入电网中的谐波电流变小，可以有两种方式：1）将Zf尽可能的减小，但由于实际情况中，Zf不可能方式上无限制的减小，所以更多的是放在第二种。2）将Zs尽可能的增大，也就是说系统相对于谐波的短路阻抗越大，那么滤波器的分流就越大，所以注入到系统中的谐波电流就越小。3.1.3 无源滤波器的优缺点因为无源滤波器具备成本低、效率高、结构简单、运行可靠性高及维护方便等优点，所以，目前抑制谐波及无功补偿的主要手段是应用无源滤波器。但是，无源滤波器的补偿特性容易受到电网阻抗和运行状态的影响，而且容易与系统发生并联谐振，致使谐波放大使其过载甚至是烧毁。除此以外，无源滤波器只能滤除特定次的谐波，导致整个装置占地面积比较大且补偿效果也不是很理想，因而随着电力电子技术的不断进步和发展，人们将逐步把滤波的研究方向向有源滤波器进行转型。3.2 装设静止无功补偿装置具有快速的变化的谐波源，比如：电弧炉、电力机车以及卷扬机等，它们不仅能产生谐波，往往还会造成供电电压的波动及闪变，有的甚至还会引起系统的电压三相不平衡，这对公用电网的电能质量产生了严重的影响。由谐波造成的无功功率补偿可以通过而在网侧投入无功补偿设备来实现，进而可以提高功率因数。除此之外，经过对无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可以在某次频率点产生谐振，这样即可实现对该频率的谐波进行抑制。波动的谐波含量可以得到有效减小，同时，它还能够对电压波动、电压闪变及三相不平衡产生抑制作用，而且对功率因数还有一定的补偿作用。3.2.1 静止无功补偿器的概述静止无功补偿器又称SVC，指采用全控型电力电子器件组成的桥式变流器来进行无功补偿的装置。它是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。传统无功补偿用断路器或接触器投切电容，SVC用可控硅等电子开关，而没有机械运动部分，所以叫做静态无功补偿装置。静止无功补偿器对调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等也有显著的效果。它是将可控的电抗器与电力电容器(固定或分组投切)并联来使用。电容器可以发出容性的无功功率，可控电抗器则可以吸收感性的无功功率。通过对电抗器进行合理的调节，我们可以做到整个装置平滑地从发出无功功率改变为吸收无功功率或者从吸收无功功率改变为发出无功功率，并且响应快速。提高电网的经济效益和供电质量的一个至关重要的环节就是无功平衡。随着电力工业的迅速发展，超高压与特高压电网的相继投入运行，人们对与供电质量及其可靠性的要求相应的也越来越高10。由此也产生了一系列的问题:超高压大电网的形成和负荷变化加剧，要求大量的具有快速响应的可调无功电源来完成调整电压，维持系统无功潮流的平衡，减少损耗，提高供电可靠性的任务。SVC(静止无功补偿器)对并联用户来说是一种重要的电力设备，在理论上讲，他可以代替常规的电压以及无功控制元件，具备功能强大、响应速度快等优点，是现阶段配电网电能质量控制以及无功补偿的热点研究之一。3.2.2 静止无功补偿器的分类目前使用较多的四种是11：（1）自饱和电抗器(SR)：它是通过负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度，当负荷发生变化时它的电抗值也会随之发生改变，从而调节无功功率的输出大小；（2）晶闸管控制电抗器（TCR）：它是通过改变控制角来改变导通时间，相当于是通过调节电抗器来达到改变无功输出时的目的；（3）晶闸管控制高漏抗变压器（TCT）：它的工作原理和晶闸管控制电抗器相同，晶闸管在断开时呈现高电抗特性，在接通时根据控制角来调节无功功率的输出大小，由于应用了变压器，所以可以直接接入到高压侧； （4）晶闸管投切电容器（TSC）：它的晶闸管在超前电压90时接通，并在断开前一直保持该控制角，若电压是正弦波的话，那么流过晶闸管投切电容器的电流也是正弦波，所以没有谐波产生，但是它不能够在导通期间改变无功功率的输出大小。表3-1 几种补偿器性能进行比较型 式自饱和电抗器晶闸管控制电抗器晶闸管控制高漏抗变压器晶闸管投切电容器英文缩写SRTCRTCTTSC无功输出连续、感性/容性连续、感性/容性连续、感性/容性分级、容性动态响应时间约10ms约10ms约10ms约1020ms分相调节不能能能能限制过电压能力很好依靠设计依靠设计无自生谐波量小有有无吸收谐波能力好好好无噪音大较小稍大很小损耗率约0.7%1%约0.5%0.7%约0.7%1%约0.3%0.5%直接接入超高压不可不可可以不可控制灵活性差好好好运行维护简单较复杂较复杂较复杂注解：若将TCR、TCT和TSC相互结合起来，则可能获得更好的技术经济效果；表中的动态响应时间仅仅指的是扰动开始到补偿回路开始的动作时间；滋生谐波含量指的是在三相平衡的情况下，静止无功补偿器本身产生的谐波，谐波的吸收能力主要由容性部分滤波器的设计所决定；表中列出的损耗是指的大中型的设备（20MVA及以上）的额定损耗，如果其容量较小（10MVA以下），则损耗将增大。3.2.3 静止无功补偿器的应用静止同步无功补偿器是目前在技术上最为先进的无功补偿装置。它已经放弃了采用大容量的电容器、电感器来产生所需无功功率的方式，而是通过电力电子器件的高频开关来实现对无功补偿技术的质的飞跃，而且对于电力系统中的动态无功补偿特别适用。在低压供配电系统中静止无功补偿器被广泛应用在电压的调整、改善电压水平、减少电压的波动、改善和提高功率因数、抑制电压的闪变以及平衡不对称负荷，与静止无功补偿器配套的滤波器能够吸收谐波和减小谐波的干扰等。静止无功补偿器在超高压输电系统中的作用则是提供无功补偿、调整电压，改善系统的电压水平，改善电力系统的动态和暂态稳定性以及抑制工频过电压等。与电力电容器相比，静止无功补偿器能够双向连续平滑的调节；与同步调相机相比，静止无功补偿器则无旋转部件，所以在运行维护上相对比较简单。同时静止无功补偿器的调节速度快，因此它具有很大的优越性。但是它也有自己的缺点，那就是本身产生谐波，若不采取措施抑制这些谐波将会污染电力系统，一般都有配套的电力滤波器。所以为了实现双向连续调节，并克服并联电容调节效应的弱点，就需要增大它的补偿容量。3.3 有源电力滤波器补偿法3.3.1 有源滤波器的特点及分类对于无源滤波器而言，有源滤波器具有这样的特点：有源滤波器具有高度的可控性和快速的响应特性，而且可以跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，而且其特性不会受到系统的影响，并且它不会产生谐波放大威胁，相对体积重量也较小。随着APF在我国的不断推广和应用，必定会带来巨大的经济效益和社会效益。有源电力滤波器按照所使用的变流器类型可分为：电流型有源滤波器(CSI)和电压型有源滤波器(VSI )；按照与负载连接的拓扑结构可分为：并联型、串联型和串、并联混合使用型；按照使用场合的电源相数可分为：单相、三相三线和三相四线用有源电力滤波器等。图3-4 有源电力滤波器拓扑分类下面根据APF 与负载连接的拓扑结构的分类方式对有源电力滤波器的基本原理作简单的介绍，其拓扑分类结构图见上图3-4。并联型APF主要被应用在感性电流源型的负载的谐波补偿中，目前技术上已经比较成熟，投入运行的APF多为此方案。而对于串联型APF 来说，通过变压器串联在电源与负载间，相当于一受控电压源，主要被用来消除带电容的二极管整流电路等电压谐波源负载对系统的影响。此外，还有串-并联型APF，其兼有串、并联型APF的功能，具有较高性价比。值得关注的是并联型APF 与LC 并联结构，这是有源电力滤波器中最基础的形式，而且也是目前应用最多的一种。3.3.2 有源滤波器的基本原理图3-5 有源滤波器系统框图有源滤波器的系统主要是由指令电流运算电路与补偿电流发生电路两部分组成。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中将谐波电流分量和基波无功电流分离出来，然后将其通过反极性作用后发生补偿电流的指令信号。而电流跟踪控制电路的功能则是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。并联型的有源电力滤波器是最早的有源滤波装置，而且也是现在实际工业应用中运用最多的一种有源滤波器。其接线方式如下图3-6，它其实就相当于一个谐波电流的发生器，它能够跟踪谐波源产生的电流中的谐波分量，然后产生与之相反的谐波电流，从而和谐波源产生的谐波电流两者相互抵消。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功和不平衡分量等进行补偿，而且还可以把几个滤波器并联起来应用，通过此方式来补偿大容量的谐波电流。但是，由于电源电压是直接加在逆变器上的，对开关期间的电压等级要求比较高，当负载中的谐波电流含量比较高时，有源滤波器的容量也相应的要增大，投资自然也会增加。但是，同时具备大的补偿容量和宽的补偿频带这两个特性是比较困难的，所以电流型的谐波源的谐波治理是并联型的有源电力滤波器的主要应用对象。图3-6 并联型有源滤波器接线图图3-7是串联型有源电力滤波器的接线图。它通过把3个单相变压器串联在电源和负载之间，串联有源滤波器在此系统中其实相当于一个电压控制电压源，它可以跟踪被测电源电压中产生的谐波分量，并且产生与之相反的谐波电压，从而对谐波源产生出的谐波电压进行隔离。 图3-7 串联型有源电力滤波器接线图 这种结构的有源装置的具备容量小，运行效率高的特点，而且对于电压型的谐波源有着比较好的补偿特性。由于串联型有源电力滤波器存在绝缘强度高的特点，难以适应线路故障条件及不能进行无功功率动态补偿等等缺点，而且负载产生的谐波电流全都要经过连接用的变压器，所以它的工程实用性会受到一定的限制，其投切、故障后的退出以及各种保护相对于并联型有源滤波器复杂。它与并联型有源电力滤波器一样，当负载谐波含量较大时，串联型有源滤波器的容量也将增大，进而加大了初期的投资。由于串联型的电力有源滤波器的一些缺点使得其在工程实用性会受到一定的限制，所以在实际工程中并联型有源电力滤波器的适用范围更大，应用也更加广泛。4 谐波检测方法4.1 模拟滤波器法我们知道，信号处理一般有两大类方法，一类是基于频域理论的，一类是基于时域理论的。对于谐波检测来说，模拟滤波器法就是基于频域理论的方法。该方法是被用来检测谐波的最早的方法。其检测原理为：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12。模拟滤波器的优缺点：优点：（1）简单有效 （2）实现成本低（3）输出阻抗小（4）相关品质因素易于控制缺点：（1）不易获得稳定和理想的相幅频特性（2）一组滤波电路只能够检测某个频率的谐波（3）电网频率波动时，检测精度会明显下降（4）该检测方法运行时系统损耗较大4.2 小波变换法小波分析是一门针对FFT算法的局限性而新兴的一种数学理论，是时域分析(尤其是在对于突变信号的分析与处理上)的一种重要的工具，是对具有随机出现、随机消失等显著特点的电力谐波进行谐波检测的一个很好的选择。简要说来，小波变换法则是通过对谐波进行离散采样后，再利用小波变换的数学理论方法，将电网中不同次的谐波进行“区别”变换，并且得到不同尺度大小的“投影结果”，进而将高频谐波、奇异谐波明显的显现出来。小波变换法的优缺点：优点：（1）它是按照频带而不是按照频点来处理频域信息的，因此当电网频率发生微小的波动时，其检测结果不会受到太大的影响 （2）它不需要对被检测信号进行长时间的采样，从而提高了该检测方法的实时性（3） 小波变换其实就是傅里叶变换的发展版，它具有傅里叶变换所欠缺的诸方向选择性、可变的时频域分辨率等特点缺点：（1）由于小波变换的频带划分并不绝对，会产生频带重叠现象，进而造成小波混叠（2）由于能量的不集中，某频带的能量可能会扩散到另一频带中，又将造成频谱泄露现象，从而使得小波变换精度低、鲁棒性差4.3 基于人工神经网络的谐波检测法人工神经网络（ANN）13是能够模仿人脑的部分结构与功能，具备一定的映射能力和自适应、自学习等能力的一种新的检测谐波的研究方式。人工神经网络检测谐波的流程图如图4-1：搭建合适的映射网络确定一个原始样本，也就是一定时间内的电流电压值选择一种算法，也就是确定单个神经元的活动规则利用原始样本训练处一个最优种群，然后将被测时段的数据输入训练好的神经网络种群，并得出研究结果图4-1 人工神经网络检测谐波的流程图基于人工神经网络的谐波检测方法它具有比较多的优点，比如说：延时小、检测的精度高、收敛速度快等。但是它在被应用在工程实际当中还有很多的问题存在，像没有规范的NN构造方法、需要比较多的训练样本，而且对于如何去确定所需要的样本数也没有规范的方式，还有就是它的精度很大程度上取决于样本的质量。4.4 基于傅里叶变换的谐波检测法法国的数学家傅里叶(J.Fourier1768-1830) 在1822年发表的研究热传导理论的“热的力学分析”，提出并且证明了可以将周期函数分解为正弦级数的原理，从而奠定了傅里叶级数理论的基础14。傅里叶级数理论是把函数在三角函数系下进行展开，从而实现对信号和系统的研究归结为对简单的三角函数的研究。傅里叶分析是由傅里叶级数与傅里叶变换两者共同组成。1965 年美国 Cooly和Tukey 两人提出快速傅立叶变换(FFT)之后，傅里叶变换才真正从理论走向实践15。FFT 技术目前已相当成熟，该方法具有精度较高、功能较多、使用方便等特点。目前，在电力系统中稳态谐波检测中大多采用 FFT及其改进算法，尤其是实现整数次谐波的精确分析和检测。4.4.1 傅里叶变换检测法的原理基于傅里叶变换的检测法，是在Fourier分析的基础上建立起来的，也就是说，若想使其测量结果误差不是很大，那么就要求被补偿的波形必须是周期变换的。基于傅里叶变换的谐波检测的原理如图4-2：通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位系数将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得到所需要的误差信号将误差信号进行FFT反变换，就可以得到补偿信号图4-2 傅里叶变换的谐波检测的原理图4.4.2 傅里叶变换的谐波检测的优缺点优点：（1）可以选择拟消除的谐波次数（2）通过附加的计算，可以通过电网电压基波分量与负载电流的基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和基波无功电流（3）受环境影响比较小缺点：（1）由于其计算量大，有较大的时间延迟（2）当电网电压波形畸变严重或频率波动时，将会引起较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响比较大（3）在傅里叶变换进行电力系统谐波分析时还会发生频谱混叠效应，频谱泄漏效应和栅栏效应，从而影响了检测精度注：(1)频谱泄露效应：对于频率为fs的正弦序列，它的频谱应该只是在fs处有离散谱。但是，在利用DFT求它的频谱时，对时域做了截短，结果使信号的频谱不只是在fs处有离散谱，而是在以fs为中心的频带范围内都有谱线出现，它们可以理解为是从fs频率上“泄漏”出去的，这种现象称 为频谱“泄漏”。为了减小频谱“泄漏”的影响，往往在FFT处理中采用加窗技术，典型的加窗序列有Hamming、Blackman、Gaussian等窗序列。此外，增加窗序列的长度也可以减少频谱“泄漏”。(2)栅栏效应：所谓栅栏效应，就是当我们对某一函数实行采样使，只有落在缝隙前的部分样本可以被采集到，其余的样本均会被栅栏挡住而无法采集的一种现象。不管是时域采样还是频域采样，都有面临这种现象。不同的是，当时域采样符合采样定理时，栅栏效应对其不会产生任何的影响。而在频域采样时，这种效应的影响则很大，被“挡住”或丢失的频率成分有可能就是重要的或者具有某种特征的成分，从而使信号处理失去意义。减小栅栏效应可应通过提高采样间隔也就是采用频率分辨力的方法来解决。间隔越小，频率分辨力越高，被“挡住”或者丢失的频率成分就会越少。但这样会增加采样点数，从而使计算的工作量增加。为了解决此项矛盾，我们可以采用如下方法：在满足采样定理的前提下，采用频率细化技术(ZOOM），同样可以把时域序列变换成频谱序列。4.4.3 FFT应用实例x=0.5*sin(2*pi*15*t)+2*sin(2*pi*40*t)。采样频率fs=100Hz，分别绘制N=128、1024点幅频图。fs=100Hz，Nyquist(奈奎斯特)频率为fs/2=50Hz。整个频谱图是以Nyquist频率为对称轴的。并且可以明显识别出信号中含有两种频率成分：15Hz和40Hz。由此可以知道FFT变换数据的对称性。因此用FFT对信号做谱分析，只需考察0Nyquist频率范围内的幅频特性。若没有给出采样频率和采样间隔，则分析通常对归一化频率01进行。另外，振幅的大小与所用采样点数有关，采用128点和1024点的相同频率的振幅是有不同的表现值，但在同一幅图中，40Hz与15Hz振动幅值之比均为4：1，与真实振幅0.5：2是一致的。为了与真实振幅对应，需要将变换后结果乘以2除以N。4.5 三相电路瞬时无功功率理论20世纪80年代中期，赤木泰文提出了三相电路瞬时无功功率理论，以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的概念作为理论基础，该理论最初被称为 p-q理论，它对瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量进行了系统的定义，将三相电路的电流、电压瞬态值采用 Clarke 变换矩阵变换到相互正交的二维坐标系上研究，但是他并没有对相关的电流量进行具体的定义16。而后，这一理论得到众多研究者不断的研究和完善，基于该理论的谐波检测方法也得到了广泛应用。、变换：实现了三相瞬时电压，电流由静态变换到旋转状态。-正交坐标变量作为分析的基础。设电压