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(检测技术与自动化装置专业论文)小波分析在移动电站系统谐波检测中的应用研究.pdf.pdf 免费下载
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硕+ 学1 _ 奇:论文 摘要 电能是最重要的能源之一,而电能质量与国民经济的各个部门以及人民的 生活密切相关。随着石油钻机工业和电力电子技术的快速发展,各种电力电子 设备、以及其它非线性负荷的大量使用造成移动电站系统谐波污染问题日益严 重,严重影响了移动电站的电能质量,同时对移动电站系统安全、稳定、高效 地运行形成了威胁。移动电站作为石油钻机工业中的动力源,具有十分重要的 作用。为使移动电站电网能够安全运行,首先要对电网中的谐波进行检测,并 根据其结果采取必要的补偿措施,严格控制其危害。谐波检测是谐波问题的基 础,它也是我们处理谐波危害的根据。 本论文对基于小波变换的谐波检测方法进行了研究,主要内容如下: 简要分析和探讨了移动电站系统的谐波问题,对移动电站系统谐波源进行 了大致分析。讨论了目前采用的谐波检测的思想:基于傅立叶变换、基于瞬时 无功功率理论、基于人工神经网络以及基于小波变换的谐波分析、检测方法基 本原理。对各种方法在移动电站系统中的应用进行了比较,同时列举出了各种 方法目前的有代表性的主要进展。 详细分析和阐述了小波多分辨率分析的基本原理及其在移动电站系统谐波 检测应用的方法。以m a t l a b 为基础建立了相应的仿真系统,即借助冀东油 田某钻井队的现场数据,利用仿真程序对其进行仿真试验,同时使用m a t l a b 里s i m u l i n k 自带的工具箱建立了仿真系统进行仿真验证,并给出了相应的仿 真波形。 从仿真和实验结果来看,小波变换可以比较准确地分离出移动电站系统中 的谐波。同时表明了小波变换的方法检测移动电站系统的谐波的可用性,为今 后的广泛应用奠定了基础。 关键词:移动电站,谐波检测,小波变换,m a l l a t 算法。 小波分忻在移动电站系统i 皆波检测中的r 蒂l l j 研究 a b s t r a c t e l e c t r i c i t yi s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n e r g ys o u r c e s ,a n dt h eq u a l i t yo f e l e c t r i c i t yi sn e a r l yc o r r e l a t i v ew i t ho u rl i v e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i ld r i l l i n g i n d u s t r ya n dp o w e re l e c t r o nt e c h n o l o g y ,t h ed i v e r s i f i e de q u i p m e n to fp o w e r e l e c t r o na n do t h e rn o l i n e a rc h a r g e sg r e a t l yi n c r e a s e ,h a r m o n i c sc o n t a m i n a t i o no f m o v a b l ep o w e rs t a t i o ni n c r e a s e ss e v e r i t y ,a n db a d l ya f f e c tt h eq u a l i t yo fe l e c t r i c i t y a n dt h es a f er u no fm o v a b l ep o w e rs t a t i o n m o v a b l ep o w e rs t a t i o n i sa sp o w e r s o u r c ei st h ei m p o r t a n tp a r ti nt h eo i ld r i l l i n gi n d u s t r y t oi n s u r et h es a f er u no f m o v a b l ep o w e rs t a t i o n i s ,a n dl i m i tt h eh a r mo fh a r m o n i c si n t oas a f er a n g e ,t h e h a r m o n i c so fm o v a b l ep o w e rs t a t i o n i sm u s tb em e a r s u r e dt h e na c c o r d i n gt oi t s r e s u l tt ot a k en e c e s s a r yp r o t e c t i o na c t i o nt oc o n t r o li t sh a r m h a r m o n i c sd e t e c t i o n i st h eb a s i so fh a r m o n i c sp r o b l e m ,a n di sa l s ot h ef o u n d a t i o nt od e a lw i t ht h eh a r m o fh a r m o n i c s t h eh a r m o n i c sd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h eh a r m o n i c sd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r ma r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s : h a r m o n i c sp r o b l e m sa n dh a r m o n i c ss o u r c e so ft h em o v a b l ep o w e rs t a t i o na r e r e s e a r c h e d h a r m o n i c sd e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r m , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r y ,a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dw a v e l e tt r a n s f o r m a r es h o r t l yi n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d ,a n dt h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so f t h ew h o l eb a go ft r i c k su s i n gi nt h em o v a b l ep o w e rs t a t i o na r ec o m p a r e d t h e m a i np r o d u c t i o n so ft h ew h o l eb a go ft r i c k sa r el i s t e d t h eb a s i cp r i n c i p i u mo fw a v e l e tt r a n s f o r mb a s e do nm a l l a ta r i t h m e t i ca n d t h ew a yt op r o c e s sh a r m o n i c sd e t e c t i o ni nt h em o v a b l ep o w e rs t a t i o nb yw a v e l e t t r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e da n dd i s c u s s e dd e t a i l e d l y t h es i m u l a t i o n s y s t e mi s f o u n d e db ym a t l a b 6 5 ,a n dt h eh a r m o n i c sd e t e c t i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mi s s i m u l a t e d t h eh a r m o n i c si nt h ef i e l dd a t af o r mt h ed r i l l i n gc r e wi sd e t e c t e db yt h e s i m u l a t i o ns y s t e m ,a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t e dw a v e f o r m sa r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ,t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi s v a l i d a t e dt om e a s u r et h eh a r m o n i c si nt h em o v a b l ep o w e rs t a t i o n a l s o ,t h e r es u i t s i n d i c a t et h a tt h eh a r m o n i c sd e t e c t i o nb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m t h ec a nb eu s e di n t h em o v a b l ep o w e rs t a t i o na n dp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rw i d e l yu s e df r o mn o wo n 硕十学何论文 k e yw o r d s :m o v a b l ep o w e rs t a t i o n ,h a r m o n i c sd e t e c t i o n ,w a v e l e tt r a n s f o r m , m a l l a ta r i t h m e t i c 1 i l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名:方移美 日期:矿净钿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口,在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名: 导师签名: 柑 融6 鼋孙 日期:泗罗年 日期:j ,1 年 , 铜7 日 歹月日 硕十学何论文 曼量曼曼量曼曼曼曼曼! 曼鲁曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼邑皇! 曼曼! 曼! 鼍曼鼍詈! 曼! 曼曼皇曼皇曼! 曼曼皇曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼量曼曼皇曼i ii ;| ! 第1 章绪论 1 1 移动电站中谐波问题的起源 对远离城市电网的设施以及移动设备进行供电的系统可以统称为广义的移 动电站。移动电站普遍是由几台容量不太大,同容量、同型号的柴油发电机组组 成。作为交流供电的常用、备用和应急发电用的柴油发电机组以其灵活、方便、 稳定的特点被广泛地应用于船舶、石油钻机等众多领域i l l 。 随着电力推进技术的兴起,很大程度上归功于功率半导体器件的飞速发展。 采用功率半导体器件实现变频装置的作用就是变流。而在变流过程中,使用了电 力半导体器件的开关特性,在其输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸变,产 生丰富的谐波2 1 。电力电子技术在移动电站上的大量应用也带来了谐波问题, 且日益突出和严重,国内外都发生过因谐波而引发的重大事故。陆地、海洋钻井 电站系统用电设备的谐波标准日益提高,而现阶段直流传动系统和交流传动系统 都会给移动电站注入大量的谐波,因此钻井电站系统首先要解决的就是谐波问 题。在我国,对有海洋钻井电站系统的谐波问题的研究正全面展开p 引。 移动电站作为一套电动钻机的动力系统,由多台柴油发电机组组成,每台柴 油发电机组又由柴油机、交流发电机及其控制系统组成。为了满足电动钻机供电 的可靠性和经济性,动力系统一般配置两台以上的柴油发电机组。各并联运行的 柴油发电机组经过空气断路器隔离后连接到公共交流母排,为钻机现场提供动力 及照明电源。本文以冀东油田某钻井队提供的现场数据作为数据源并进行仿真实 验,其系统结构参见图1 1 所示。图1 1 中,三相6 0 0 v 交流母线左侧为系统的 动力源,由4 台卡特3 5 1 2 b 柴油发电机组并联组成,6 0 0 v 交流母线右侧为负载 侧,分别连接着4 台s c r 传动控制系统,对应驱动钻井设备( 1 撑泥浆泵、2 群泥 浆泵、3 撑泥浆泵、绞车和转盘) ,还连接着l 台动力变压器( 6 0 0 v 4 0 0 v ) 为井 场设备和照明设备供电。l 舟泥浆泵、2 撑泥浆泵、3 撑泥浆泵和绞车由同容量的两台 电动机同轴驱动,该系统是把柴油发电机组发出的a c 6 0 0 v 交流电( 正弦波) , 通过三相可控整流电路变换为电压可调的直流电( 0 , - - , 7 5 0 v ) ,通过调压调速来控 制直流电动机的转速,实现钻井工艺要求的调速控制。 图1 2 是不加有源滤波装置但增加进线电抗器时系统的电压、电流波形。 小波分_ f 斤存移动电站系统谐波柃测巾的麻用研究 如 一 杀 撒 j 鬻 _ 岳 油 簖 盘 嚣 * 斟 最 夸 出 图1 17 0 d 电控系统原理图 2 _ 蝴i 鞋薹g 麓 , o 一 i , 1 9 1 1 5 i t 5 0 1 u ;癯醍,囊连惫罐彝糕鬻斑蕊鞭潲 固12 某钻井队实测波形 从图1 2 中可以看出,屯网中流过的电流除基波电流外,含有丰富的谐波电 流。 1 2 谐波对移动电站系统的危害及研究意义 理想的电州所提供的电压应该是单一而固定频率以及规定的电压幅值的。谐 波电流和谐波电压的出现,对移动电站系统是一种污染,使得用电设各处的环境 恶化,也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来干扰。存电力电子设备广 泛应用以前,人们对谐波i = 上及其危害就进行了一些研究,并有一定的认识,但是 那时谐波的污染还不够严重,没有引起足够的重视,进几十年来,各种电力电子 变流设备广泛的应用于移动电站系统中,特别是交流变频装置对电网的影响尤为 严重。引起了大家的广泛关注。谐波的危害主要集中于以f 几点: l 、谐波对供电设备的危害: 供电设备主要指电力变压器、电缆、发电机、电力电容等。由于谐波在这些 设备上产生明显的集肤效应,使得电力变压器、发电机等铁磁设备损耗明显增人, 产生过热,绝缘提前老化:电缆产生过热,绝缘提前老化;电力电容器无功补偿 装置无法正常投切,电力电容器介质损耗增大、过热、甚至击穿。因为谐波造成: r 1 ) 引起串联谐振及并联谐振,放大谐波,造成危险的过电压或过电流,进 而导致损耗增加和设备寿命缩短: f 2 、增加设备的铜耗、铁耗,进而产生谐波热损耗,使用电设备效率降低; ( 3 ) 增加设备的介质损耗进而产生额外的友热、加速电气设备介质击穿,从 而缩短它们的使用寿命; ( 4 ) 增加电缆中的绝缘损耗,加速绝缘老化降低电缆的载流量,产生附加 线路损耗,增加了网损: ( 5 1 增加设备的杂散损耗、磁滞和涡流损耗,最终导致设备额外的发热损耗: 小波分卡f r 存移动电站系统谐波检测巾的市用研究 ( 6 ) 由谐波产生的磁场作用会导致设备更大的可闻噪声; ( 7 ) 缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯故障; ( 8 ) 谐波对电能计量和测量仪表产生干扰,产生测量误差。 2 、谐波对用电设备的危害: 谐波电流对系统的大量注入将引起供电电源的失真度上升。失真度上升,意 味着电源已经不再是纯净的正弦波,因此凡用电设备不论自身是线性负载还是非 线性负载都会受到供电电源失真度上升的影响。例如:一些敏感性负载受到干扰, 计算机出错、死机,造成数据丢失,计算机控制的设备出现异常故障等;负载电 路中产生传导干扰,数据传送故障、通讯间断并伴有工频交流噪声等,使得数据 传送错误,丢失等;含有电感、电容器件的电路温度升高,损耗增大,提前老化, 使用寿命明显缩短等;保护装置异常动作,开关误跳闸等;伺服电机产生脉动, 异步交流电机产生振动,噪音增大,甚至严重过流烧毁电机等。总之,谐波将造 成不必要的能源损耗,缩短设备使用寿命,使系统安全性降低,敏感设备精确度 下降,数据传输发生故障甚至数据丢失,存在安全隐患。 移动电站系统谐波研究的意义旨在减少谐波对于石油钻井平台上各种用电 负荷及设备的损害,避免因谐波而引发的重大事故【6 1 。 1 3 本文的目的 本课题主要进行以下几方面的工作: 基于小波多分辨率分析做移动电站系统中谐波检测的研究,达到滤除移动电 站系统中存在的各种谐波。这些谐波包括交流电动机的串级调速、变频调速以及 含铁磁系统的设备在运行过程中产生的谐波。 该谐波检测的方法具有如下功能: ( 1 ) 检测变流装置产生的谐波; ( 2 ) 检测含电磁系统的设备产生的谐波; ( 3 ) 在一定程度上实现无功补偿; ( 4 ) 有效降低谐波对移动电站系统的危害。 4 硕十学位论文 第2 章移动电站系统的谐波 2 1 谐波分析的基本概念和理论 对于周期为t :一2 i t 。的非正弦电压u :,在满足狄里赫利条件情况下, 可分解为傅立叶级数,在上述傅里叶级数中,频率为i 1 的分量称为基波,频率为 大于1 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n 次谐波电压含有率以h r 虬( h a r m o n i e r a t i o u n ) 表示。 h r 乩= 丑l o o ” u 1 式中玑第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ; u 一基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以h r i 表示 h r i , , = 等1 0 0 式中l 第n 次谐波电流有效值; ,一基波电流有效值。 谐波电压含量乩和谐波电流含量厶分别定义为: 一 巩= 嵋 f - 厶= 、e 电压谐波总畸变率t h d u ( t o t a l h a r m o n i e d i s t o r t i o n )电流总畸变率t h d l 分 别定义为: t h d , ,= = 盟1 0 0 “ u 1 觋= 鲁埘o o 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出,谐波是一个周期电气 量中频率为大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率, 有人把谐波也称为高次谐波。实际上,谐波这一术语已经包含了频率高于基波频 率的意思,在本文中,称谐波中频率较高者为高次谐波,频率较低者为低次谐波。 谐波次数n 必须是大于l 的正整数。为非整数时的正弦波分量不能称为谐波。当 n 为非整数的正弦波分量出现时,被分析的电气量已不是周期为t 的电气量了。 但在某些场合下供用电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波频率的分数次 波,通常称为间谐波。考虑到间谐波产生的原因、危害及抑制方法均和谐波很相 似,因此间谐波也在本文的研究范围之内。暂态现象和谐波是不同的。在进行小 小波分卡i 存移动电站系统i 肯波拎测巾的虑用研究 波分析时,对这种暂态现象的不利影响可以起到一定的抑制作用,因此本文所涉 及的内容不把暂态现象完全排除在外。对于非正弦波形,有时也用波形因数和振 幅因数来描述其波形特征。波形因数是非正弦波形的有效值和整流后的平均值的 比,振幅因数是非正弦波形的幅值和有效值之比。波形因数、振幅因数都只是描 述了非正弦波形的某一个数字特征,两者之间没有一一对应的关系。它们和非正 弦波形的谐波含量更没有一一对应的关系【7 9 1 。 2 2 石油钻井平台谐波源分析 石油钻井平台电站系统具有多种电气设备,大致可以分为以下几种:发电机、 变压器、电力电子设备。交流电网侧又可以分为:6 0 0 v 母线系统、4 0 0 v 系统、 2 2 0 v 系统等。从电力电子设备来看产生谐波的电路主要有:整流电路,交流调 压电路,或者周波变流电路( u p 交一交变频电路) 。按照负载性质和运行特点的不 同,整流电路又可分为阻感负载的整流电路和带滤波电容的整流电路。此外,随 着电力电子技术的发展,一些理论上可以不产生谐波的电力电子装置开始出现, 如p w m 整流器、交流斩波器和矩阵式变频器等等。受器件开关频率的限制,它 们仍然会产生少量的高频谐波【1 0 】。 在石油钻机电驱动系统中,6 0 0 v 电网产生谐波的谐波源主要有晶闸管整流 器、变频器、变压器、软启动器等,其中以晶闸管装置和变频器产生的谐波为多。 下面详细分析各种装置引起谐波的原因。 2 2 1 晶闸管装置 在石油钻机s c r 电驱动系统中,通常采用三相全控桥式6 脉动整流电路, 图2 1 所示为s c r 整流器的等值电路图。图2 2 所示为s c r 整流器交流侧的电 压和电流的波形图。 l d 图2 1 $ c r 整流器的等值电路图 6 硕十学何沦文 图2 2s c r 整流器的交流电压和电流波形图 在三相晶闸管整流装置中,交流电源的电流为矩形波,该矩形波为工频基波 电流和为工频基波奇数倍的高次谐波电流的合成波形。通过谐波分析可知:对于 三相6 脉动整流器,整流器的进线侧( 即6 0 0 v 母线上) 主要含有5 、7 、1 1 、1 3 、 1 7 、1 9 、2 3 、2 5 等次谐波电流。 三相整流器的运行模式对谐波电流的大小也有直接的影响,因此在考虑调整 整流电压、电流时,最好要进行重叠角、换相压降以及谐波测算,以便确定安全、 经济的运行方式;当控制角仅接近4 0 0 ,重叠角p 在8 0 左右时的情况,往往是谐 波最严重的状态。图2 3 为冀东某钻井队工作电压为6 0 0 v 电流为1 2 5 0 a 保存下 来的波形,从波形中可以看出电压电流的畸变率都比较严重,含有丰富的各次谐 波。 7 :筌2 :銮錾翟:兰耋誓:j 鎏兰翟尘墼錾星墼耋 囤23 莱钻井队现场数据 2 2 2 变频器 在石油钻机v f d 电驱动系统中,大部分采用变频器直接驱动钻机设备的电 动机,也有采用公其直流母线结构的,即通过多台并联的整流柜,产生直流电压, 再通过多台逆变器分别驱动钻机设备的电动机。无论哪种驱动方式,都有整流环 节和逆变环节,也都将产生谐波,影响到6 0 0 v 电网的电源品质i 。 变频器的主电路一般为交- 直- 交组成,通常三相工频电源经三相桥式整流电 路( 不可控或可控) 整流成直流电压,经直流侧大容量滤波电容器滤波,及人功 率开关元件i g b t 逆变为频率和电压均可变的交流电源。 变频器的输入电路由二极管或晶闸管组成的全桥整流电路和滤波电容所组 成。变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波,但输入电流是脉冲式的充电电 流,其波形如图2 4 所示。脉冲式电流波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波, 通常含有6 n + l ( n = l ,2 ,3 ) 次谐波,其中的高次谐波将干扰输入供电系统。 090 9 109 209 3n 9 40 蛞d n 9 7 0 9 80 钾1 圉24 变频器的输入电流波形 变频器的逆变输出电路中,输出电压和电流均有谐波。对于p w m 控制的变 频器,只要是电压型变频器,不管是何种p w m 控制,其输出电压波形为矩形波。 其中谐波频率的高低是与变频器调制频率有关,低调制频率低为1 - 2 k h z ,高调 制频率可达2 0 k h z ( 如i g b t 变频器) 。从电压方波及电流正弦锯齿波,用傅立叶 级数小难分析出各次谐波的含量。所以,输 回路电流信号也t 叮分解为j l 含正弦 波的 波和其它各次谐波而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流 还通过电缆向空间辐射,干扰邻近电气殴各。 无论是晶闸管整流器,还足变频器,存实际运行中情况并h ;理想,换流电抗 1 i 等于零,换相角不等于零,输出直流必然会有脉动二相交流系统也很难完全 对称。因而谐波成分会更加复杂,电压与电流波形发生畸变会更严重,此谐波注 入电叫必将对电气设备造成危害。 石油钻机s c r 系统和v f d 系统,在重载工况下用示波器实泖4 得到的6 0 0 v 母线电压波形( 受谐波污染) 示于图25 和圈2 6 。 团25v f d 系统6 0 0 v 母线电压波形 2 2 3 含电磁系统的设备 移动电站系统电流互感器及使用较少的电压互感器、变压器,各种交直流接 触器、电磁式继电器等都具有铁芯和励磁线圈。变压器的谐波电流是由其励磁回 路的非线性引起的。由于磁化曲线是非线性的,所以产生正弦磁通的励磁电流只 能是非正弦的。有分析可知,其中含有以3 次谐波为主的奇次谐波。对于三相系 统来说其励磁电流和铁心结构、变压器联结方式都有关系。若变压器有一侧采 用三角形联结方式,则为3 次谐波提供了通路是磁通和电动势基本接近正弦波。 3 的倍数次谐波电流只在角形回路中流通而不会流八公用电网,流八电网的只 有6 k 士l ( k 为正整数) 次谐波。若变压器没有采用角形联结则励磁电流中就没 有3 的倍数次谐波,使磁通变为平顶波。磁通和励磁电流波形在三柱变压器中磁 动势里的3 的倍数次谐波是各相相位的,因此,这些谐波磁通路径必须是由空气、 油和变压器外壳构成的回路。这种路径词组比较大,使3 的倍数次谐波的刺痛仅 为独立铁心的1 0 左右。因此磁通和电动势仍接近正弦波。 互感器、变压器属于稳态谐波源,为使电磁系统较经济,励磁电流呈尖顶波, 其谐波次数为奇次。一些电磁装置在投入时或外部故障切除后突然恢复电压时, 产生浪涌电流,有时可以达到额定电流的8 1 0 倍甚至更高,该电流含有数量 很大的谐波量,且衰减缓慢。对小电网供电的移动电站系统影响也较大i l “。 小波分析存移动电站系统 f ;i 波柃测巾的声用研究 2 3 本章小结 本章对谐波进行了简要的概述,并分析了石油钻井平台电站系统主要的谐波 源。 在石油钻井平台移动电站系统中,由于大量存在各种非线性负载、电力电子 变流装置以及各种电磁介质,形成了在该系统中谐波源比较复杂的情况下。而且 在实际钻井过程中,各种工况的切换也具有随机性这也造成了谐波源进入电网的 随机性。这就要求在移动电站系统中进行谐波检测时必须具有较高的实时性和快 速性。在下一章中将会详细介绍目前常用的检测谐波的方法、发展趋势。结合移 动电站系统的实际情况提出本文用到的滤波思想,并在该思想的基础上建立仿真 系统。 1 0 硕十学伊论文 第3 章谐波检测技术的发展现状及分析 3 1 绪论 谐波测量方法是谐波测量的核心环节,它也是我们分析谐波问题的依据之 一。一般而言,谐波测量包括三个步骤: ( 1 ) 信号预处理: ( 2 ) 谐波幅值和相位测量; ( 3 ) 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,以优化测量指 标,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达预期测量指标和测量的实时性和快速 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。下面介绍各种谐波测量 方法的原理及其特点。 从国内外的现状来看,主要的谐波测量分析方法有以下几种: 1 、采用模拟滤波器测量谐波; 2 、基于傅立叶变换的谐波检测方法; 3 、基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法; 4 、基于人工神经网络的谐波分析、检测方法; 5 、基于小波变换的谐波分析、检测方法。 其中人工神经网络和小波变换应用于谐波问题的处理尚处在起步阶段。本章 将对目前谐波检测方法的现状作简要的阐述【l5 1 。 3 2 目前谐波检测方法分析 3 2 1 采用模拟滤波器检测谐波 最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。即采用滤波器将基波电流分量滤 除,得到谐波分量,或者测量信号的总有效值和通过低通滤波器的基波分量的有 效值,然后利用总有效值减去基波分量的有效值,从而得到谐波分量。该检测方 法的优点是电路结构简单,造价低,输出阻抗低,品质因素易于控制。但也有很 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。 3 2 2 基于傅立叶变换的谐波检测方法 基于傅立叶变换的谐波测量是由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶( f f t 算 法) 变换。这种测量方法精度较高,使用也比较方便,目前应用较为广泛。但是 其缺点在于检测时间长,检测结果实时性较差,而且当信号频率和采样频率不一 小波分析n :移动f 乜站系统谐波拎删中的府明研究 致时,无法达到同步采样,就会产生频谱泄漏效应和栅栏效应,使计算出的信号 参数尤其是相位的误差很大【l5 1 。因此人们采用了各种方法来降低上述影响。比较 典型的方法,例如下面将要介绍加入适当的窗函数和进行插值等。 频谱泄漏引起的误差需要用加窗函数的方法消除,而栅栏效应引起的误差可 以用插值算法进行消除。传统的傅立叶变换是对信号在整个时间过程中变化情况 的分析,它仅仅在时域内是全局的、非局部的。加窗实现了信号在时域和频域内 局部化的联合分析,但是其时间一频率窗的宽度不变,也影响到它在许多复杂信 号的分析处理中的应用。比较常见的加窗插值算法有矩形窗插值算法、海宁 ( h a n n i n g ) 窗插值算法、布莱克曼一哈立斯( b l a c k m a n h a r r i s ) 窗的插值算法等。其 中布莱克曼哈立斯窗算法是在海宁( h a n n i n g ) 窗插值算法的基础上提出的具有较 高的精度。 基于两根谱线的加权平均来修正幅值的双峰谱线修正算法,利用距谐波频点 最近的两根离散频谱幅值估计出待求谐波的幅值;同时,利用多项式逼近方法获 得了频率和幅值修正的计算公式,能够进一步降低泄漏和噪声干扰,提高谐波分 析的准确性。延长周期法把一个采样周期内采到的n 个点扩展任何整数倍,可 提高频率分辨率和频谱的准确性。 另外还有采用自适应采样算法,该算法根据信号频率实时调整采样频率,从 而确定下一采样时间。与固定采样率算法相比,基本不需增加计算量。采用该算 法的频谱泄漏的影响较小,实时性较好,精度也比较高【l6 i 。 3 2 3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 1 9 8 3 年日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论,即p q 理论解决了谐 波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件就能实现抑制谐波和无功补偿等问题, 从而使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究走向实际应用。根据该理论,可 以得到瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q ,p 和g 中都含有直流分量和交流分 量。由此可得被检测电流的基波分量,将基波分量与总电流相减即得相应的谐波 电流。因为该方法忽略了零序分量,且对于不对称系统,瞬时无功的平均分量不 等于三相的平均无功。所以,该方法只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相 电路谐波和基波无功电流的检测【l7 1 。 p q 法检测三相电路谐波和无功电流的原理如图3 1 所示: 1 2 硕十学伊论文 图3 1 基于p g 法检测三相电路谐波原理图 基于、运算方式的谐波电流检测电路原理图如图3 2 所示1 8 1 。p l l 是锁 相环,其作用是产生与圪同频同相的正弦和余弦信号。图中c 3 :变换为: c = c 易 s i n 缈f s i n ( 咖了2 7 ) s i n ( 斛争 一c o s f c o s ( 耐一冬) 一c 。s ( 耐+ 警) jj 该方法通过锁相环产生的s i n 国f 和c 0 s 研,与i 口,i b ,i c - - g g n g 出i p 和 经l p f 滤波后得出i p f 和0 ,再经c t 运算后得到三相基波分量f 。,f 6 厂,f 。,; 显然,运算方式准确地计算出了f 。厂,f 6 ,f 。厂,它们与i 口,i 6 ,i c 相减 便可准确地计算出谐波分量i 口 ,i 6 i l ,i 。| | i 。 o 图3 2 基于、法检测三相电路谐波原理图 3 2 4 基于人工神经网络的谐波分析、检测方法 神经网络理论是最近发展起来的很热门的交叉边缘学科,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【l9 1 。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ,a n n ) ,是由大量 处理单元广泛互连而成的网络。它实际上是由简单的处理单元所组成的大量并行 1 3 小波分析存移动电站系统i ;| 波柃洲中的府川研究 的处理机,这种处理机具有存储和应用经验知识的自然特性。因为它具有较强的 学习功能,因此也被广泛应用到信号识别上。谐波测量方法来源于信号处理方法, 因此人工神经网络就可以为电力系统谐波测量提供新的思路和方法。应用神经网 络于谐波测量中,根据谐波的非线性特性,将会有很好应用的前景。近年来,人 工神经网络在提高计算能力、对任意连续函数的逼近能力、学习能力及动态网络 的稳定性分析等方面都取得了丰硕成果,已应用于许多重要领域,如模式识别与 图象处理、控制与优化、预测与管理、通信等。神经网络应用于电力系统谐波测 量尚属起步阶段,主要有三方面的应用: ( 1 ) 电力系统谐波源辨识; ( 2 ) 电力系统谐波预测; ( 3 ) 电力系统谐波测量。 人工神经网络应用于谐波测量,主要涉及神经网络构建、样本的确定和算法 的选择,目前己有一些研究成果。目前,人工神经网络在电力系统中的应用尚处 在起步阶段,正有大量的学者正在研究其在谐波测量中应用,并在理论上也取得 了一些突破。例如a n n 中的前馈网络通过简单非线性处理单元的复合映射即可 获得复杂的非线性处理能力,应用在电力系统谐波分析中便有希望提高谐波测量 的精度和实时性【2 0 - 2 1 1 。 3 2 5 基于小波变换的谐波分析、检测方法 由于傅立叶变换的一些不足,于是人们采用加窗插值算法进行修正,统称为 s t f t ( s h o r tt i m ef o u f i et r a n s f o r m ) ,它虽然可以描述某一局部时间段上的频率信 息,但是其时频窗长和宽与时间与频率无关,因此对于时变非平稳信号而言,适 用于各个时间段的窗口是很难找到的。于是人们开始将小波变换运用于谐波检测 分析中【2 2 1 。 1 、正交小波多分辨率分析 小波的多分辨率分析将信号按一定的尺度进行划分不同频率的信号被划分 到不同的频段中,然后按照相应的重构公式对各个子频段进行重构,从而分离出 各次谐波。小波多分辨率分析在谐波检测中的应用原理将在下一章详细说明。 2 、采用小波包的分析方法 短时傅立叶变换是一种等分析窗的分析方法,小波变换相当于等q 滤波器 组,语音、图像比较适合用小波变换进行分析,但并非所有信号的特性都与小波 变换相适应。以雷达为例,复杂目标的回波,其包络的起伏决定于目标的姿态变 化,而多普勒频率则取决于目标的径向速度,二者并无必然的联系,所以在雷达 里也经常使用短时傅立叶变换。当对某类信号,等宽和等q 滤波器都不一定适 用时,有必要按信号特性选用相应组合的滤波器,这就引出了小波包的概念。 c o i f m a n 及w i c k e r h a u s e r 在多分辨分析的基础上提出了小波包的概念,可以实现 对信号任意频段的聚焦【2 引。 在小波包分析中,小波包分析的基本原理为: 。( f ) = 4 2 h ( k ) u 。( 2 t 一七) 1 4 硕十! 伊论文 址川( f ) = 4 2 g ( k ) u 。( 2 t 一七) 孟 但是,在小波包树形分析中,如果仍然采用现有的滤波器组结构进行小波包 分析,会遇到各个频带标记的大小与相应的频带频率大小无法完全对应的情况, 也就是说,低频段的信号有可能会分解到高频段中去,相应的,高频段的信号也 有可能分解到低频段中。这样就有可能给谐波的频率分析、特征提取带来困难, 也就无法直观地对各次谐波进行判断,影响了小波包的使用。针对这样的问题, 有学者提出了一种新的小波包分解树,将低通和高通滤波器的排列进行了调整, 从而解决了上述问题。实验证明,这种小波包树形结构可以很好地满足各次谐波 分析的要求。小波包三层分解树结构示意图如图3 3 所示: s x ( 3 ,o ) x ( 3 ,1 ) x ( 3 ,2 ) x ( 3 ,3 ) x ( 3 ,4 ) x ( 3 ,5 ) x ( 3 ,6 ) x ( 3 ,7 ) 图3 3 小波包三层分解树结构示意图 使用离散小波包变换将采样波形分为若干个子波段,之后用连续小波变换提 取非零子波段内容,可以比较精确地量化谐波的频率、幅值以及相位【2 4 】。 3 、采用连续小波变换的谐波分析 无论是多分辨率分析还是小波包变换实际上都是离散小波变换,但是在小波 函数的频域内存在着混频现象,而且由于谐波幅值、相位变化等情况的存在,使 得离散小波变换在谐波的分析测量中存在一定的局限,而且从目前的情况来看, 采用m a l l a t 多分辨率分析以及小波包变换的方法还暂时无法将非整数次谐波 分离出来。由于傅立叶变换和传统的小波变换无法有效地分析信号中同时存在的 几个频率相近的整数次和非整数次谐波,甚至无法判断谐波个数,有学者提出了 用连续小波变换实现非整数次谐波的分析测量。 通过选用频域能量比较集中、通频带较窄、频率混叠影响较小,同时具有时 域对称和线性相位的m o r l e t 小波,最大限度保证变换不失真,同时选取不同的 尺度系数,虽然不同尺度之间混频现象依然存在,但是小波变换系数随着不同尺 度的变化情况在变换谱图中十分明显,因此可以用来分析系统中的谐波情况。这 种方法可以将频率相近的整数次和非整数次谐波进行分离,检测结果基本可以反 映实际的谐波情况,提高了谐波检测的精度。连续小波变换应用于电能质量的检 测,采用尺度幅值法,通过计算小波系数的能量分布曲线,可以有效地区分出 谐波( 包括整数以及非整数次谐波) 、暂态振荡、暂态脉冲等各种扰动。 4 、自适应小波在谐波分析中的应用 1 5 小波分析存移动电站系统i 皆波柃测r f l 的书f h 研究 自适应小波实际上是将人工神经网络的思想引入了小波变换。小波变换在自 适应算法中应用的方法有多种,这些方法有一个共同的特点,就是利用人工神经 网络可以进行学习、训练的特性,把信号首先进行分解,然后再由此生成自适应 滤波器的输出信号。根据输出信号生成的形式形成了不同的算法。 自适应小波的训练过程和上一节所介绍的人工神经网络类似,而将人工神经 网络与小波变换结合起来,这也是今后谐波和电能质量检测技术发展的一个方 向,国外已经有学者开始了这方面的研搿2 5 j 。 3 3 各种谐波检测方法在移动电站系统中可用性分析 前面章节中已经分析了石油钻井平台上移动电站系统的谐波来源。如图1 1 所示在不同的支配关系下,有不同的交流电机投入到电网中运行而且负载的电流 是时时变化的,引入谐波的次数也不尽相同,这样很容易引起各次谐波之间的谐 振现象,使交流母排上的电流波形更加复杂。这也就造成了在应用在石油钻井平 台上移动电站系统中的谐波检测技术必须要有更好的实时性和快速性。只有这样 才能更好的跟踪柴油发电机小电网系统中的谐波的变化情况。下面分析一下各种 谐波检测技术应用在移动电站系统上的优缺点( 2 6 1 。 3 3 1 传统谐波检测方法的分析 采用模拟滤波器测量谐波的主要优点是电路结构简单,造价低,输出阻抗低, 品质因数易于控制。当然它也有很多缺点,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 增加了滤波器的容量和运行损耗。 基于f f t 的谐波测量是当今应用最广泛的一种高效变换算法,它使d f t 计算 工作量的复杂度从n x n 量级降到了n 1 9 2 n 级。但实际工程应用的f f t 算法中, 不可避免的存在栅极效应和频谱泄漏,得到的相位、幅值等参数值误差较大,无 法达到实际的测量要求。为此可对信号进行加窗以减少泄漏,提高f f t 的计算 精度。f f t 频域局部化能力很强,却无法实现时间局部化,虽然加窗的f f t 提 高了信号局部化分析能力,但窗口大小和形状固定,对频率很高或很低信号无能 为力,无法达到好的时间分辨率和好的频率分辨率的统一性。在移动电站系统中 要求的实时性和快速性虽然可以大致满足,但是由于谐波检测的误差的存在使其 不能准确地反映电网中真正的谐波变化情况。 基于瞬时无功功率的谐波与无功电流检测方法对于三相三线制的系统是成 功的,也已经获得了成功的实际运用。它不但能够实现谐波的检测,而且能够在 一定程度上实现无功功率的补偿,但是它的不足之处也相当明显。基于瞬时无功 功率的谐波与无功电流检测方法在实际应用中涉及到了大量复杂的电压和电流 的变换与反变换,虽然现在随着d s p 、a r m 等高速处理器的出现这些都已不是 问题,但是
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