基于Matlab仿真的电能质量研究.doc

题 目 基于Matlab仿真的电能质量研究 院 系： 西南交通大学网络教育学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 翟洪林 指导教师： 郭 蕾 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电气工程及其自动化 年级 2008-15班 学 号 08821754 姓 名 翟洪林 学习中心 山东纺织学习中心 指导教师 郭蕾 题目 基于Matlab仿真的电能质量研究 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 毕 业 设 计 任 务 书班 级 2008-15班 学生姓名 翟洪林 学 号 08821754发题日期： 年 月 日 完成日期： 年 月 日题 目 基于Matlab仿真的电能质量研究 题目类型：工程设计 技术专题研究 理论研究 软硬件产品开发一、 设计任务及要求1：了解常用算法（傅里叶、小波等）在电能质量检测仿真中的应用。 2：分析电能质量问题中的稳态和暂态扰动信号。 3：分别采用小波包和快速Fourier算法进行电能质量分析，并用MATLAB软件进行仿真。 4：选定分析算法的正确性和合理性。 二、 应完成的硬件或软件实验对电能质量问题进行详细分析的基础上，采用一种基于傅里叶变换和小波变换的算法对电能质量进行检测。利用FFT算法实现稳态电能质量问题的检测，利用小波包分析方法实现暂态电能质量问题的检测，并对该算法采用MATLAB软件进行仿真研究。 三、 应交出的设计文件及实物（包括设计论文、程序清单或磁盘、实验装置或产品等）毕业设计、毕业论文。 四、 设计进度安排第一部分 搜集资料，整理实际工作中一些经验。 （ 2 周）第二部分 整理成理论片断。 （ 4 周）第三部分 成文。 （ 6 周）评阅及答辩 （ 周） 指导教师： 年 月 日学院审查意见：审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本设计是本人独立完成；二、 本设计没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。承诺人（钢笔填写）：年月日目 录目 录7摘要10Abstract11一 概述121.1 研究背景121.2研究现状121.3 本文进行的主要工作13二 电能质量基础理论及国家标准142.1 电能质量定义142.2 电能质量问题的一般分类142.3 暂态162.3.1 脉冲暂态162.3.2 振荡暂态172.4 短期电压变化172.4.1 电压骤降182.4.2 电压骤升182.4.3 断电192.5 长期电压变化192.5.1 过电压192.5.2 欠电压192.5.3 持续停电202.6 电压不平衡202.7 波形畸变212.7.1 直流偏移212.7.2 谐波212.7.3 间谐波232.7.4 陷波232.7.5 噪声242.8 电压波动和闪变242.9 电源频率变化252.10 电能质量国家标准25三 电能质量问题的分析方法273.1 电能质量分析方法综述273.2 时域仿真方法273.3 频域仿真方法283.4 基于变换域的方法283.4.1 傅立叶变换283.4.2 傅立叶变换的基本概念283.4.3 离散傅立叶变换293.4.4 快速傅立叶变换（FFT）293.4.5 傅立叶变换在电能质量分析中的应用303.4.6 短时傅立叶变换313.4.7 短时傅立叶变换基本理论313.4.8 短时傅立叶变换在电能质量分析中的应用323.4.9 小波变换323.4.10 连续小波变换333.4.11 离散小波变换343.4.12 多分辨率分析353.4.13 小波包变换373.4.14 小波包的定义383.4.15 小波包的空间分解393.4.16 小波包算法403.4.17 三种方法的比较40四 基于小波包和傅立叶变换的电能质量分析方法424.1 信号仿真434.1.1 小波包对暂态电能现象的仿真434.1.2 下面是对断电现象的小波包分解和重构的仿真图形：434.1.3 电压骤升信号的仿真：444.1.4 电压骤降信号仿真：464.1.5 脉冲暂态信号仿真：474.1.6 FFT对稳态电能现象的仿真514.1.7 对电压波动信号的仿真：514.1.8对谐波信号的仿真：524.1.9对正弦波信号的仿真：53总结和展望：54致谢54参考文献55 摘要 电能是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。其应用程度已成为一个国家发展水平的主要标志之一，随着科学技术和国民经济的发展，电能质量问题已越来越受到社会的重视，因此建立电能质量检测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类，不仅对于电力系统，而且对于用户而言，都显得十分重要。本文首先系统地介绍了电能质量现象及其理论基础，对各种电能质量扰动的分类、定义、特征及其产生的原因进行了详细的阐述，并简要介绍了我国电能质量标准。 在对电能质量问题进行详细研究的基础上，提出一种基于小波包变换和傅立叶变换的电能质量检测分析方法。该方法采用快速傅立叶算法实现稳态电能质量问题的检测，采用小波包分析算法实现暂态电能质量问题的检测。随后使用MATLAB软件对其分析方法进行了大量的仿真研究，其中包括稳态电能质量中的电压波动信号、谐波信号和正弦波信号的仿真；暂态电能质量中的断电现象、电压骤升、电压骤降和脉冲信号的仿真，并取得了有意义的结果，验证了该算法的实用性和可行性。在论文的最后，对基于包小波变换和傅立叶变换的电能质量检测分析的算法进行了总结概括和展望，并提出了有待于改进的不足之处。关键字： 电能质量 稳态电能质量 暂态电能质量 快速傅立叶变换 小波包变换AbstractEnergy is an economic, practical, clean and easy to control and change the energy patterns, is the electricity sector to provide electricity users by the generation side, the supply side, electricity tripartite joint undertaking of a special quality products .Its application has become one of the main indicators of the countrys development level, as science and technology and the development of the national economy, Power Quality issues have become more and more attention by the community, the establishment of power quality testing and analysis system, its correct detection, assessment and classification systems not only for electricity but also for users, becomes very important.This paper systematically introduces phenomenon and theories foundation of the power quality first, and expounds the classification, definition, characteristic of the various power quality disturbance and the reason of its creation, and the synopsis introduces the our country power quality standard. In the right to conduct a detailed study on the basis of power quality based on wavelet packet transform and Fourier transform power quality analysis methods. The Fast fourier transform algorithm using stationary power quality testing, wavelet packet analysis method transient power quality testing. Then use the MATLAB software for a large number of simulation studies and analysis , the stationary power quality includes fluctuations of voltage , harmonic and the sine wave signal simulation,the transient power quality includes power outages, voltage surge, voltage drop and pulse signal simulation, and achieved significant results, show that the algorithm is practical and feasible. In the final paper, based on wavelet packet transform and Fourier transform power quality Analysis of the algorithm summarized and outlook and made improvements to be inadequate. Keywords: power quality; stationary power quality; transient power quality ;Fast fourier transform; wavelet packet transform一 概述1.1 研究背景 随着时代的进步与科技的飞速发展，现在电网与负荷构成出现新的变换趋势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。一方面，冲击性负荷、非线性负荷是电网出现诸如波形畸变、电压闪变、电压暂降等较为严重的电能质量问题；另一方面，人们所使用的精密和复杂电子设备也要求高质量和高可靠性的电能供应。随着电能质量问题的日益严重及广大用户对电能质量要求的不断提高，建立电能质量检测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类，不仅对于电力系统，而且对于用户而言，都显得十分重要。1.2研究现状自从电能质量概念提出，电能质量日益受到电力部门和用户的重视。现在的电能质量，其内容已不局限于传统的静态电能质量，如电网波动和闪变、电压偏差、三相不平衡和频率偏差，而且还对电压下降、电压骤升和脉冲振荡等一些暂态电能质量提出了新的要求。为了保证用电质量和提高用电水平，人们就不断研究更精确、更快速的电能质量指标参数的测量技术。近年来，许多研究者致力于这方面的研究，并提出了许多新的方法例如 分形分析的方法以及基于快速Fourier变换、短时Fourier变换、和小波变换的时频分析方法等。 最初的参数测量多是采用模拟技术实现，但随着数字信号处理技术和计算机技术的发展，越来越多的测量仪器应用数字技术实现，并且数字方式实现相对简单，测量也更精确，使其逐渐成为成熟的产品得以广泛应用。但是在实际的应用中，由于电力信号的复杂性以及不断提高的精度与测量精度要求，关于电能质量参数测量的研究依然是一个热点。1.3 本文进行的主要工作 本文首先系统地介绍了电能质量现象及其理论基础，对各种电能质量扰动的分类、定义、特征及其产生的原因进行了详细的阐述，并简要介绍了我国电能质量标准。在对电能质量问题进行详细研究的基础上，提出一种基于小波包变换和傅立叶变换的电能质量检测分析方法。该方法利用快速傅立叶（FFT）算法实现稳态电能质量问题的检测，利用小波包分析方法实现暂态电能质量问题的检测。并对该算法采用MATLAB软件进行了大量的仿真研究工作，取得了有意义的结果，验证了该算法的实用性和可行性。在论文的最后，对基于包小波变换和傅立叶变换的电能质量检测分析的算法进行了总结概括和展望，并提出了有待于改进的不足之处。 二 电能质量基础理论及国家标准2.1 电能质量定义目前，世界各国对电能质量的定义都不完全相同，从不同的角度来看，对电能 质量会有不同的理解。从供电角度看，电能质量是指供电的参数符合标准及供电的可靠性；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指提供设备所要求的电能特性；从用户角度看，电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故障的供电电压、电流及频率的异常扰动。IEEE2给出电能质量问题的一般解释为在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损害的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变和电气噪声等。 2.2 电能质量问题的一般分类 低频传导现象高频传导现象谐波，间谐波 感生等幅波电压/电流信号系统(电力线载波通信)单向暂态电压波动振荡暂态电压骤降和断电高频辐射现象电压不平衡磁场电源频率变化电场感生低频电压电磁波交流网络中的电流等幅波低频辐射现象暂态磁场静电放电现象电场核放电脉冲表2.1IEC分类的电磁扰动现象种类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值电磁暂态脉冲纳秒级5ns上升1ms振荡低频5kHz0.3-50ms0-4 pu中频5-500kHz20us0-8 pu高频0.5-5MHz5us0-4 pu短时电压变化中断0.530周波1min0 pu欠电压1min0.80.9 pu过电压1min1.11.2 pu电压不平衡稳态0.52%波形失真直流偏移稳态00.1%谐波稳态020%间谐波稳态02%陷波稳态噪音宽带稳态01%电压波动25Hz间歇07%频率偏差10s表2.2电力系统电磁现象的种类和特征为了实现电能质量术语定义的标准化和规范化，各国的学者和电力工作者做出了长期不懈的努力。国际电工委员会（IEC）把电磁现象分为如表2.1所示的类4。电能质量问题的研究主要集中在前4类。美国的电气与电子工程师学会的标准协调委员会22（IEEE SCC 22）在此基础上又增加了一些新术语，并对IEC的分类作了适当的调整和改进。例如，他们用“短期变化”来指代电压骤降和断电，引入了电压骤降的反义词电压骤升，用“波形畸变”这一类涵盖了IEC分类的谐波、交流网络中的直流以及IEEE 519标准中提出的陷波(notching)现象。表2.2给出了IEEE SCC 22对电磁扰动现象的分类，这种分类方法更适合于电能质量领域的研究工作。表2.2中给出的电磁扰动现象可以用下列相关属性作进一步描述：对于稳态现象，可以用幅值、频率、调制、电源阻抗、陷波深度和陷波面积等属性来描述；对于非稳态现象，需要用上升速率、幅度、持续时间、频谱、频率、发生率、能量和电源阻抗等属性来描述。表2.2给出了各种电能质量扰动的典型频谱成分、持续时间及电压幅值。表中电压幅值单位pu表示标么值，指以额定值的百分数或单位值来表示电压值。将表中所列的扰动类型与上述属性结合起来，就能够清晰地描述任何一次电磁扰动。这一点是区分测量结果并且确定电能质量问题的根本前提。2.3 暂态在电力系统分析中，暂态表示一种本质上很短暂但并不期望发生的事件。广义上讲，暂态可以分为脉冲暂态和振荡暂态两大类16。2.3.1 脉冲暂态脉冲暂态是指电压或电流在其稳态条件下的一个突发的、非电源频率的变化，且这种变化是单极性的。脉冲暂态最常见的起因是雷电。用以描述脉冲暂态的两个参数是上升时间和衰减时间。例如一个1.360-us 3000-V的脉冲暂态表示在1.3us内从0达到其峰值3000V，然后在60us内衰减到峰值的一半。脉冲暂态的特征也体现在其频谱成分中。由于含有高频成分，脉冲暂态的波形受电路元件的影响变化很快，而且在不同的观测点也呈现出显著不同的特征。虽然在某些情况下脉冲暂态可能沿着线路被传播一定的距离，但一般来说它们不会被传播到很远的地方。脉冲暂态可能激发电力系统电路的固有频率并产生振荡暂态。2.3.2 振荡暂态振荡暂态是指电压或电流在其稳态条件下的一个突发的、非电源频率的变化，且这种变化是双极性的。振荡暂态由瞬时值迅速改变极性的电压或电流组成，可由其频谱成分、持续时间和幅值来描述。根据频谱成分可以把振荡暂态分为低频、中频和高频三个子类。主要频率成分大于500kHz且持续时间为数微秒（或主频的几个周期）的振荡暂态称作高频振荡暂态。它往往是本地系统对一次脉冲暂态响应的结果。主要频率成分在5kHz到500kHz之间，持续时间为数十微秒（或主频的几个周期）的振荡暂态称作中频振荡暂态。例如背靠背电容器充电导致的十几千赫兹的振荡暂态电流，电缆投切所引起的振荡暂态电压。主要频率成分小于5kHz且持续时间在0.3ms到50ms的振荡暂态称作低频振荡暂态。这类现象可能由多种事件引起并常常出现在二次输电和配电系统中。最常见的事件是电容器组充电，这将导致频率在300Hz到900Hz的振荡暂态电压，而且峰值可达2.0pu。但由于系统的阻尼，该暂态实际的峰值被衰减到1.31.5pu，且持续时间为0.5到3个周期。对于一定容量的低压电容器和降压变压器而言，在其终端用户的低压侧母线上将会出现暂态过电压被放大的情形。此时终端用户方的暂态过电压可能高达3.04.0pu，这将损害各种用户设备。这种电容器开关暂态的放大现象发生于容量范围很广的变压器和电容器上。因此，改变电容器或降压变压器的容量不是实用的解决办法。有时可以考虑用带有预插入电阻或电感的同步重合闸断路器或开关来控制电容器上的暂态过电压。主要频率成分小于300Hz的振荡暂态也存在于配电系统中，它们一般和铁磁谐振以及变压器的接入有关。涉及到串联电容器的暂态也属于此类。当系统与变压器涌流中的低频成分（2次和3次谐波）发生谐振时，或者当异常情况导致了铁谐振时，就会出现这种低频振荡暂态。2.4 短期电压变化引起短期电压变化的原因是系统故障、需要高起动电流的大型负荷的接入或者电力布线接头处有断续的松动。根据故障位置和系统状况的不同，可能会引起临时性的电压水平降低（即电压骤降）、临时性的电压水平升高（即电压骤升）、或电压完全消失（即断电）。2.4.1 电压骤降骤降是指工频电压或电流的有效值降至0.10.9pu，持续时间在0.5个周期到1min的电磁扰动。电压骤降通常与系统故障有关。大型负荷的接入或者大电机的起动也有可能引起电压骤降。例如一台异步电动机在起动时的电流可能是其满载电流的610倍，足以导致严重的电压骤降。在这种情况下电压立即骤降至有效值的80，然后在大约3s之内逐渐回复到正常值。这类电压骤降持续的时间一般为数秒钟，远远大于电力系统故障引起的骤降持续时间（数毫秒）。直到1996年，骤降事件的持续时间才被赋予明确的定义。有的参考文献中定义的骤降持续时间是2ms到几分钟。但实际上，持续时间不足半个周期的欠电压现象不能用基频有效值的变化来描述其特征，因此这类事件应该被归类于暂态。而持续时间超过1min的欠电压现象往往与系统故障无关，而且可以通过电压调节装置获得控制，因此这类事件应该属于长期电压变化的范围。由此可知，骤降事件的持续时间应该如表2.2中所列的0.5个周期到1min。2.4.2 电压骤升骤升是指工频电压或电流的有效值增至1.11.8pu，持续时间在0.5个周期到1min的电磁扰动。骤升通常也和系统的故障有关，但不如电压骤降那样常见。在一次单相接地短路故障中，非故障相会出现临时性的电压水平升高，这将可能导致一次电压骤升。除此之外，切除一个大负荷或者对一台大电容器组充电都有可能引起电压骤升。电压骤升的特征是其幅值（有效值）和持续时间。在一次故障中，电压骤降的严重程度与故障位置、系统阻抗和系统是否接地等因素密切相关。以一次单相接地短路故障为例，如果系统未接地，则零序阻抗为无穷大，非故障相的相电压将会高达1.73pu。如果系统接地，那么在变电站附近的非故障相几乎不会出现电压骤升的现象。这是因为变电站的变压器通常都是接地，从而为故障电流提供了一条低阻抗的零序通路。2.4.3 断电断电是指供电电压或负荷电流减至小于0.1pu，且持续时间不超过1min的电磁扰动现象。断电可能是电力系统故障、设备故障以及控制失灵的后果。由定义可知，发生断电时电压幅值总是小于标称值的10，因此只需对其持续时间进行测量。由电力系统的一次故障引起的断电，其持续时间由电力系统保护装置的动作时间决定。瞬时重合闸一般会把由一次非永久性故障引起的断电限制在30个周期以内，而保护装置的延时重合闸则会引起30个周期以上甚至3s的断电，由设备故障或松动连接导致的断电，其持续时间是不确定的。如果断电是由电源系统中的故障引起的，则在发生断电之前很可能会先出现一次电压骤降。电压骤降出现在故障发生时刻到保护装置动作之间。2.5 长期电压变化长期电压变化是指工频电压的有效值超出了规定的稳态电压容限，并持续1min以上的扰动事件。长期电压变化又可分为过电压、欠电压和持续停电三种情况。2.5.1 过电压过电压是指工频交流电压的有效值大于1.1pu，持续时间在1min以上的扰动事件。过电压通常是由负荷投切（例如切除一个大负荷或者投入一台电容器组）引起的。如果系统相对于想要实现的电压调节显得太薄弱，或者电压控制不足，都会引起过电压现象。变压器分接头的设置不当也会导致系统过电压的出现。2.5.2 欠电压欠电压是指工频交流电压的有效值小于0.9pu，持续时间在1min以上的扰动事件。欠电压事件的起因与过电压恰恰相反。投入一个大负荷或者切除一台电容器组都可能引起欠电压，直到系统的电压调节设备使电压重新回到容限内。过负荷线路也会导致欠电压现象。2.5.3 持续停电如果供电电压为零且超过了1min，那么这种长期电压变化就是持续停电。超过1min的电压中断往往是永久性的，因此需要依靠人力维修才能使系统恢复。2.6 电压不平衡在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有相同的幅值，并且按A、B、C顺序互成角度，这样的系统叫做三相平衡（或对称）系统。然而由于种种不平衡因素的存在，实际电力系统并不是完全平衡的。电压不平衡可以定义为三相电压平均值的最大偏差与三相电压平均值的百分比，也可以定义为负序或零序分量与正序分量的比值。电压不平衡的因素可以归结为事故性和正常性两大类。事故性的不平衡是由于三相系统中某一相或两相出现故障所致，例如一相或两相断线、单相接地故障等。这种不平衡状况是系统运行不允许的，一般由继电保护、自动装置切除故障元件后在短期内使系统恢复正常。正常性的不平衡则是由于系统三相元件或负荷不对称所引起的。随着国民经济的发展，电力系统中出现了大量不平衡负荷，以及一些单相大容量负荷，例如电阻炉、工频感应电炉和石墨化炉等等，使得电网三相电压不平衡日趋严重，危及电力系统的安全和经济运行。三相不平衡对电力系统和用户造成的主要危害有:1、引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力；2、引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作；3、使半导体变流设备产生附加的谐波电流；4、使发电机容量的利用率下降；5、会增大对通信系统的干扰，影响正常通信质量；6、在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机的正常工作，还会引起照明电灯寿命缩短（电压过高）或照度不足（电压过低）以及电视机的损坏等。为解决由不对称负荷引起的电网三相电压不平衡问题，可以采取下列措施：1、将不对称负荷分散连接到不同的供电点，以减小集中连接造成的不平衡度超标问题；2、使不对称负荷合理分配到各相，尽量使其平衡化；3、将不对称负荷连接到更高的电压等级上，使连接点的短路容量足够大；4、采用平衡装置。2.7 波形畸变 波形畸变定义为对理想的工频正弦波的稳态偏差，并以偏差的频谱成分来表征。波形畸变又分为直流偏移、谐波、间谐波、陷波和噪声五大类。2.7.1 直流偏移 在交流电力系统中出现直流电压或电流的扰动现象称作直流偏移，这可能是由地磁干扰或半波整流引起的。例如，白炽灯泡的延寿器中含有二极管，二极管的半波整流作用削减了供给灯泡的有效值电压，从而延长了灯泡的寿命，但同时也导致了直流偏移的出现。交流网络中的直流电流会产生诸多不利的影响，它会使变压器铁芯偏磁以致于在正常运行条件下就达到饱和，从而导致严重的过热以及变压器寿命的缩短。直流电流还会引起接地电极及其它连接器的电解腐蚀。2.7.2 谐波 谐波是指具有电源系统指定运行频率（称作基频，通常是50Hz或60Hz）的整数倍频率的电压或电流。谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非 线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的波形畸变。任何一个畸变的、非正弦的周期波（如电压、电流或磁通等），都可以分解为一系列正弦波之和，且每个正弦波的频率都是该畸变波形基波频率的整数倍。这种整数倍数即称作基频的谐波。一系列正弦波之和称作傅立叶级数（Fourier series），这一概念是由伟大的法国数学家约瑟傅立叶提出的。直到今天，各种基于傅立叶级数和傅立叶变换的方法仍然是电能质量分析领域（尤其是谐波分析领域）必不可少的手段。用傅立叶级数表示畸变波形的好处是：对于一个正弦波的输入，我们可以比较容易的求出系统的响应。利用传统的稳态分析技术，在每个谐波频率上独立地对系统进行分析，然后将每个频率上的输出迭加起来形成一个新的傅立叶级数。利用这个新的傅立叶级数可以计算出输出的波形。通常我们只对谐波的幅值感兴趣。如果畸变波形镜对称于横轴，即后半周波与前半周波的波形相同但符号相反，则傅立叶级数仅含有奇次谐波。该特性使电能质量领域的研究工作获得了进一步简化，因为电力系统中绝大多数畸变波形都是镜对称的。其实偶次谐波的出现常常意味着问题的发生（可能是负荷设备的问题，也可能是用于测量的传感器的问题），当然也有例外的情况，如半波整流装置和电弧炉，它们产生的电流就可能含有偶次谐波。在电力系统分析中，常常忽略较高次数的谐波。因为虽然这些高次谐波会影响到小功率的电子器件，但是通常不会对电力系统造成损害，而且也很难收集到足够准确的数据来对电力系统在这些频率上建模。如果把电力系统分解为一系列串、并联元件，我们将发现系统的非线性特性主要体现在并联元件（即负荷）上。输电系统的串联阻抗（即电源与负荷之间的短路阻抗）显然是线性的。对于变压器而言，谐波源也是T型等效电路的并联支路（即励磁阻抗），而漏阻抗则是线性的。由此可知，谐波畸变的主要起源最终还是终端用户的设备和负荷。当前电力系统的谐波源按其非线性特性可划分为以下三大类：1、铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器和电抗器，其铁磁饱和特性呈现非线性；2、电子开关型：主要是各种交直流换流装置（整流器和逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性；3、电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则性的、随机的伏安特性。非线性负荷一般都是谐波电流源。由于谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统的谐波阻抗，故谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待。在几乎所有的电能质量分析中，我们只需把那些产生谐波的非线性负荷看作并联的电流源就足以解决问题。谐波电流源向电力系统注入谐波电流，畸变电流流经输电系统的线性串联阻抗会导致电压畸变。虽然电压畸变最终是由负荷电流的谐波引起的，但必须注意的是负荷并不能决定电压畸变率的大小。同一个负荷接入电力系统的两个不同位置时所引起的电压畸变率也是不同的。认清这一事实是我们划分谐波控制责任的基础。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形畸变指标：1、 谐波含有率（harmonic ratio，HR）：h次谐波分量的有效值（或幅值）与基波分量的有效值（或幅值）之比，用百分数表示。即：第h次谐波电压含有率： （2-1）第h次谐波电流含有率： （2-2）2、 总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）：谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比，用百分数表示。即：谐波电压总量为： （2-3）谐波电流总量为： （2-4）电压总谐波畸变率： （2-5）电流总谐波畸变率： （2-6）提高电能质量，防治谐波污染，就是要把上列指标限制到国家标准规定的允许范围之内2、4。谐波问题是随着电力电子技术的出现而相伴产生的。谐波的负作用带来了电气环境的一大公害，即谐波污染。谐波污染的危害主要体现在对电力与信号的干扰和影响上，在对电力方面的危害主要有：1、引起旋转电机和变压器的附加损耗和发热，缩短其使用寿命；2、谐波谐振过电压造成电气元件（如电容器和电缆）和设备的故障与损坏；3、使原有的电能测量定义和方法不适用。在对信号方面的干扰主要有：1、对通信系统产生电磁干扰，使电话通讯质量下降；2、造成重要的和敏感的自动控制与保护装置工作紊乱；3、影响功率处理器的正常运行。2.7.3 间谐波 频率成分不是电源系统指定运行频率（50Hz或60Hz）整数倍的电压或电流称作间谐波，间谐波可能以离散频率或宽带频谱的形式出现。间谐波现象存在于各种电压等级的网络中。这种波形畸变的主要起源是静止式变频器、循环换流器、感应电机和起弧装置（如生弧电刷）。电力线载波信号也可以看作间谐波。间谐波扰动将对电力线载波通信产生影响，还会引起阴极射线管等显示装置的视感闪变。2.7.4 陷波 陷波是一种周期性的电压扰动，它是由电力电子器件在正常运行时的电流换相引起的。由于陷波也是一种持续发生的稳态现象，故可以通过受扰电压的谐波频谱来表征。然而，陷波较谐波又是一种特殊的情形。这是因为陷波往往含有非常高的频率成分，而那些用于谐波分析的测量设备并不一定能把这些高频成分识别并表示出来。2.7.5 噪声噪声是指附加于电力系统的三相电压或电流之上，或者出现在中性线和信号线上的非期望电信号。噪声具有小于200kHz的宽带频谱成分，并将对灵敏电子设备产生不利的影响。电力系统中噪声的起因有：电力电子器件、控制电路、起弧设备、带有固态整流器的负荷以及开关电源。一般来说，含有电力信号畸变的噪声不能被归类于谐波畸变或暂态。噪声会干扰微机和可编程控制器等电子装置的正常工作。这类问题的解决办法是使用滤波器、隔离变压器和电力调压器。还可以通过接地来解决噪声问题。但是不正确的接地不仅不能使噪声从电力系统中导出，反而会使电力系统的噪声问题进一步恶化。2.8 电压波动和闪变电压波动是指工频电压包络线的周期性变化或一系列随机的电压变化。其幅度通常在0.91.1pu范围内。电压波动波形是以有效值电压或峰值电压的包络线作为时间函数的波形。在分析时可以抽象地将工频电压看作载波，将波形电压看作调幅波。波动电压可能时具有单一频率的正弦波，也可能时具有任意波形的调幅波。电流幅值具有连续、快速变化特性的负荷会引起称之为闪变（flicker）的电压变化。闪变这个术语起源于电压波动对白炽灯的影响，它是人眼对照度波动的主观视感。由于日光灯和电视机等设备对电压波动的敏感程度远低于白炽灯，而且几乎所有的建筑照明都装有大量的白炽灯，如果电压波动的大小不足以引起白炽灯的闪变，则肯定不会影响到日光灯和电视机等的正常工作。因此选择白炽灯的工况作为判断电压波动值是否被接受的依据。准确地讲，电压波动是一种电磁扰动现象，而闪变则是电压波动在某些负荷上的体现效果。这两个术语在标准中常被联系在一起。因此，我们也可以用电压闪变来指代电压波动。供电系统的电压波动和闪变多由用户的波动性负荷所引起。波动性负荷又可分为周期性的和非周期性的两大类。其中，周期性或近似周期性的波动性负荷对闪变的影响更为严重。波动性负荷主要有：电弧炉、感应炉的变频电源、绞车和轧机、电焊机、电动机起动（尤其是频繁起停的工况）、采矿的挖掘机、锯木机和粉碎机等。这些波动性负荷，影响和危害着公共耦合点（PCC）上的其它用和设备，必须引起重视。通常人们采用各种静止无功补偿装置（SVC）来抑制这种电压闪变。为了检测出电压波动分量，国际电工委员会（IEC）推荐采用平方解调检测法，而英国ERA闪变仪采用整流解调检测法。这些方法在理论上很严谨，但在具体实现上因为没有理想滤波器而只能是一种近似。2.9 电源频率变化电源频率变化（或工频变化）是指电力系统的基频偏离其标称值（50Hz或60Hz）的扰动现象。交流电力系统的频率和发电机组的转速直接相对应。电力系统的负荷大小在不断变化，电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总处于变化之中。频率变化的大小及其持续时间依赖于负荷的特性以及发电控制系统对负荷变化的响应。超出系统稳态运行许可范围的频率变化可能由以下原因引起：大型输电系统中的故障、一个大负荷的切除或一台大型发电机组退出运行。运行频率偏差对电力系统及其设备的危害程度取决于偏差的大小和持续时间。概括地说，0.2Hz以内主要是经济问题，即造成设备的频率降低（损耗增加）；偏差超出0.2Hz时，不仅使设备效率降低，而更主要的使危及设备的安全，轻则引起不可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。频率的调整，不论是正常运行工况，还是事故工况，都是力求系统中有功功率在标称频率为轴心的允许波动范围内的输入输出平