企业电网谐波电流检测系统的分析与设计说明

毕业设计（论文）

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二〇一四年六月二十日i/45

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企业电网谐波电流检测系统的分析与设计摘要越多的谐波检测绍后对波产

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ofbeaAsanddiversitymoreandmorealsocoming,ofofofimportancetoisaimedandofisoftheIthepurposetheofatandthetoofpowergrid,basicandIofi.ofpipofmodelaccordingtheprincipledetection.Finally,Theisofii/45

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iii/

目录第一章绪1.1研究的目的与意义11.2国外电网谐波检测的研究现状11.3电网谐波检测与分析方法的发展趋势21.4抑制谐波的方法分析31.4.1国外抑制谐波研究现状31.4.2国抑制谐波技术现状41.5本文的主要研究工作4第二章电谐波分62.1电网谐波的基本概念62.1.1谐波的数学表达式62.1.2衡量谐波的主要指标72.2谐波产生的原因与带来的危害82.2.1产生谐波的原因92.2.2谐波对供配电线路的危害92.2.3谐波对电力设备的危害102.3电网谐波标准102.4本章小结11第三章基瞬时无功率理论的波电流测方3.1瞬时无功功率理论的基本原理123.2电流检测中坐标变换关系的分析133.2.1从三相静到两相静

的变换133.2.2两相旋转坐d换与两相静止坐3.3谐波检测的几种方法比较153.4基i算法的谐波电流检测pI/

换的关系14

3.5本章小结18第四章

针对i检测方的一种进与MATLAB介绍20p4.1瞬时无功功i检测方法改进后的优点pq4.2改进的瞬时无功功率检测方法的原理分析4.3MATLAB软件的介绍224.4simulink仿真环境的了解234.5本章小结24第五章

基于瞬无功功率的i检测方法仿真分p5.1仿真模块的编写255.1.1三相坐标向两相坐标转换模块255.1.2直流分量模块的编写与向三相坐标的转换5.2仿真模型搭建285.3仿真结果的分析与总结29第六章

结论与望32参考文33辞34附录35II/45

第一章绪论1.1研究的的与意近年来，随着电力电子技术的迅速壮大发展，随着工业生产水平和人们生活水平的提高，已有大量的非线性负整流负荷、变频调速装置炉、荧光灯、电力机车等）接入电网，给电网带来严重的谐波污染问题。由于这些非线性负荷在系统电压作用下，供电的电流发生了畸变，这样就含有大量的谐波成分。目前，电网中的谐波问题日益严重，这样不但降低了电能的质量，而且还对电网的安全运行造成了威胁[1]

。所以对电网谐波问题的分析与研究是一项具有重大意义的任务。电能质量问题的提出由来已久衡量电能质量的指标随着电力事业的发展得到人们的关注[1]。在早期，电力负荷的组比较简单，在世纪80年代以来，越来越多的非线性电力电子器件和装置在现在的企业中得到了广泛的应用，使电网中的谐波也越来越备受关注。谐波的污染给企业带来很大的不利，目前，随着全人类环保意识的加强，对电网谐波污染的抑制也己成为电工科学技术界所必须解决的问题。这样来看抑制谐波已成为我们必须接受的一项非常迫切的任务，而谐波检测是谐波抑制中的关键技术，所以，我们先从谐波检测入手，对电网谐波电流检测系统进行分析与设计[2]

。谐波研究的意义，是因为谐波的危害是十分严重的，谐波使电能在生产、传输和利用的过程中效率降低，谐波不仅导致电能损耗增加和设备寿命缩短，使系统的功率因数降低；还会干扰保护继电器、测量设备、控制和通讯电路以与用户的电子设备等等，使灵敏的设备误动或元件故障，影响电网的可靠性；由谐波引起的谐振也可能损坏设备，对电网的危害很大。谐波作为影响电网的一个重要因素，使得谐波研究与其抑制技术已日益成为人们关注的问题。1.2国外电谐波检的研究现状电网谐波检测是分析谐波源、治理谐波的必要组成部分。国外对谐波问题的研究大约开始于五六十年代，当时的研究主要针对高压直流输电技术中变流器引起的谐波问题。到了七八十年代随着电力电子技术的发展与广泛的应用，谐波问题变得日益严重，从而引起了各国的重视。就在近几十年间对谐波的研究已经渗透到了数/

字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术、电力电子学等很多学术领域，已经超出了电力系统的畴，并且形成了特有的理论体系、研究分析方法、控制与治理技术、检测方法与技术等。目前，谐波检测也是一个非常活跃的层面。在我国，对谐波问题起步比较晚，但是一直以来都在进步中，近年来我国在谐波检测方面有了很大的进展[3]。现在应用到电网谐波检测的方法有很多：（1）采用模拟带通（或带阻）滤波器测量谐波（2）基于傅立叶变换的谐波检测与分析（3）基于瞬时无功功率的谐波检测分析（4）利用小波分析方法进行谐波检测与分析（5）基于神经网络的谐波检测与分析对于以上的方法会在后面章节中给出解释外对谐波检测方法的研究正在一步一步的完善，相信一定有很好的方法来解决当今的谐波问题。1.3网谐波测与分析方的发展势近年来谐波检测在理论与实际中已取得了骄人的成绩而随着电力电子技术的飞速发展以与对电能质量的要求越来越高，对谐波检测方法也提出了更高的要求。使得谐波检测的算法向智能化、多功能实用化进行发展，求解的方法从直观的函数解析过渡到精确的分析和信号处理；谐波检测的效果也在向高精度、高速度和实时性好的方向发展[4]。未来谐波检测的主要发展趋势如下：1）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检测。2谐波检测算法向复杂化、智能化发展；谐波的求解方法向复杂的数值分析与信号处理方向发展解决非稳态波形畸变等问题寻找新的算法。（3充分利用现有各种谐波检测方法的优点，并且完善现有的谐波检测理论体系，研究探索新方法，实现快速、暂态谐波跟踪，是保障电力系统安全运行的需要。（4谐波检测实现技术研究将从模拟电路技术和不可编程数字电路技术转向高速高精度的可编程器件技术尤其是技术与DSP技术。近年来，这两项技术业已成为主流的谐波检测实现技术5]）谐波理论研究从以前的传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。/

1.4制谐波方法分析谐波污染对电网的危害是很严重的取相应措施加以抑制减少其危害是我们研究谐波的最终目的。抑制谐波是一个非常活跃的领域，在国外都有对其进行深入的研究与分析。1.4.1外抑制谐研究现目前看来，抑制谐波仍然是热门的研究，对于谐波的大量出现，国外已经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的波分析仪、美国产的持式谐波分析仪和英国产的列高精度电力谐波分析仪等等。为了解决电力电子装置和其它谐波污染问题，基本的思路有两条，一是从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，功率因数为。但由于谐波源的多样性，这种方法还不是很完备；二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种装设谐波补偿装置来补偿谐波的方法一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。（1）无源滤波装置无源滤波装置由电容器、电抗器，有的还包括电阻器等无源元件组成，从而能对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；将滤波器与动态控制的电抗器一起并联，可以既满足无功补偿、改善功率因数，又能够消除高次谐波的影响，这是因SVC的调节围要由感性区扩大到容性区。国际上应用很广泛的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽颇带与三阶宽频带高通滤波器等。（2）有源滤波装置有源滤波装置采用现代电力电子技术和基于高速器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消。/

目前谐波抑制的趋势是采用有源电力滤波器（PowerFilter），可以对谐波进行动态补偿，而且可以既补谐波又补无功，补偿的特性不受电网阻抗和频率变化的影响，这样可获得比无源滤波器更好的补偿效果，所以是一种理想的谐波补偿装置[1.4.2抑制谐波术现状我国在关于谐波抑制这方面的有源电力滤波器的研究起步较晚，是继日本、美国德国等之后得到了学术界和企业界的充分重视，投入了大量的人力和物力，但是如果与发达的国家相比较还是有一定的差距。从年代我国开始大量的采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的不断进步，推动了硅整流技术的发展和应用。目前看来，非线性负荷的大量增加，使不少电网谐波超过了有关标准，并且还危与电网安全、经济运行等问题。就这样，我国许多科研单位已经开展了谐波研究工作，而且已经取得了一些满意的成果。但是我国在有源电力滤波器方面仍处于崛起阶段，到1989年才有这方面的文章。总体来说，我国有源电力滤波技术在工业上的应用，仍然在进步阶段，尤其是在既治理谐波又补偿无功功率的HAPF系统方面，还有很多基础理论与技术有待于深入探讨。从近年来的研究与应用中我们可以看到的发展趋势：（1）采用PWM调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，来实现对高次谐波的有效补偿；（2）在经济方面，可采APF和PF组成的混合型滤波系统，来减APF的容量，可以达到降低成本、提高效益的目的；（3）在长远来看，随着半导体器件制造水平的不断发展，混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并APF由于其功能强大、性价比高，是很有发展前途的有源滤波装置。1.5文的主研究工作越来越多的目光投入到谐波研究中电能质量的要求也已经越来越引起人们得关注，谐波与其抑制的重要性和谐波治理刻不容缓。要想抑制谐波从谐波检测开始，本文就是对电网谐波电流检测系统进行了研究，具体容安排如下：/

(1)在第一章绪论中介绍了谐波的研究目的、意义、检测的现状、抑制的发展现与发展趋势。(2)在第二章中，对电力谐波的基本概念和数学表达式进行了阐述，研究了谐波产生的原因和谐波的危害，分析了衡量谐波的指标。(3)对瞬时无功功率理论的检测方法进行了分析且对检测的几种方法进行了比较分析，分析i算法理论。p(4)对i检测方法的一种改进分析，MATLAB做了简单的介绍，同时也pq简要了解了simulink的仿真环境。(5)在第五章改进的方法仿真分析中，进行了模块的编写，将各个子模块封装后进行模块的连接，进行仿真，得出结果，根据仿真结果对文章进行了总结分析。(6)对本文进行了总结和展望，给出了相关的参考文献。/

第二章电网谐波分析介绍了谐波的基本概念，数学表达式，以与衡量谐波的指标，分析了谐波带来的危害，电网的谐波标准等等对这一章进行了相关电网谐波的分析。2.1电网谐的基本念谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。在进行傅立叶分解时除了得到与电网基波频率一样的分量，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（nf

n

f)称为谐波次1数。电网中有时也存在非整数倍谐,称为非谐波或分数谐波[间谐波、次谐波和分数次谐波等，这些概念与谐波概念完全不同。波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。2.1.1波的数学达式谐波可以根据周期性波形，根据傅立叶级数分解得到。在供用电的系统中，一般认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，习惯上认为电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形其数学式表示：u

U

式-电压有效值；初相角；角频率

f=

f

-频率-周期。将正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容，其电源和电压分别为比例、积分和微分的关系，仍然为同频率的正弦波。但是如果弦电压施加在非正弦电路上，电流就会变为非正弦波，非正弦电流要在电网阻抗上产生压降，这样会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。一般来说傅立叶级数可以由任何周期性波形分解得来，这样称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波谐波的幅值和相角的基本方法。/

222222对于周期T非正弦电压u,可以分解成如下形式的傅立叶级数8]

：u0nn式中表示：0

1

0

u

an

12

0

u

bn

1

0

u

d

在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，以非正弦电压为例，频率1的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。以上公式与定义均正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式2.1.2量谐波的要指标

为了表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量有波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率[9]。1.谐波含量所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。我们可以得到谐波电压、电流的谐波含量为：U

U

I

I

2.谐波的总畸变率谐波总畸变率可分为电压总畸变THD电流总畸变，分别定UI义为：THDUU

H

1

THDI

H

I1/

nnnnU谐波电压含量，UH

H

基波电压有效值I

H

谐波电流含量,IH

I

I

1

基波电流有效值3.第n次谐波的含有率某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为该次谐波的含有HR，n次谐波电压的含有率HRU(HarmonicRationn)表示：n（1）第n次谐波电压含有HRU：UnU1

式（2-10）中为第n次谐波电压有效值U为基波电压有效值。（2）第n次谐波电流含有率：In100%I1次谐波电流有效值I为基波电流有效值。

式）中I为第n公用电网的电压总畸变率应该被限制在之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．为了提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和谐波的总畸变率限制到国家标准规定的允许围之。2.2波产生原因与带来危害谐波造成电网的污染，正弦电压波形的畸变，使得电力系统的供用电设备出现了许多异常的现象和故障，谐波的污染日趋严重。产生谐波的原因有很多，随着人们对谐波的研究越来越深奥，也越来越多的发现，对于谐波给我们带来的危害我们要给予有效的抑制。/

2.2.1生谐波的因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（正比）关系而造成的波形畸变。产生谐波的主要原因有两方面：一方面是来自用户的非线性负荷；另一方面是来自系统的影响。首先来自用户的非线性负荷可以解释为线性用电设备是产生谐波的主要原因，由于非线性设备产生的谐波电流通过系统网络注入到系统电源中，发生畸变的电流流经系统阻抗时使母线电压发生畸变，使电能质量受到污染。然后在来自系统的影响中：一是，系统中的交流发电机的定子和转子间存在着气隙，由于受到铁芯齿、槽或工艺的影响，分布不均匀，虽然说各相电势的波形是对称的，但是三相电势中也会含有一定数量奇次谐波。二是，系统电网中含有大量变压器的励磁电流都含有奇次谐波的成分，当变压器空载或过励磁的状态时会更为严重，并构成了主要的稳定性谐波源；三是，当电网中投入空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。电网中作用在同一线路上的不同频率的正弦电势，使得电路中的电流成为各个不同频率电流分量的叠加值，这样就形成了谐波电流。2.2.2波对供配线路的害(1)影响线路的稳定运行由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，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，使导体发热，破坏绝缘，严重会造成短路，甚至会引起火灾。另外，由于输电线路存在分布的线路电感和对地电容与无功电容等电感和电容，当它们与系统母线侧组成串联回路或并联回路时，可能会发生串联谐振或并联谐振，从而导致在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，因此而造成恶性事故。供配电系统中的电力线路与电力变压器一般都采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器对其进行检测保护。谐波会使电磁式继电器、感应式继电器和晶体管继电器误动或拒动，这样严重威胁了供配电系统的稳定与安全运行。(2)影响电网的质量电网中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变且同频率的谐波电压与/

谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压。在民用配电系统中的中性线，如计算机等一类负载，会产生大量的奇次谐波；在三相配电线路中，相线上3的整数倍谐波会在中性线上叠加，这样中性线上的电流值可能就超过相线上的电流。2.2.3波对电力备的危电力设备主要包括电力电容器、电力变压器和电力电缆，谐波对它们的危害也很大。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流会增加得更大，电容器损耗功率也会增加，会导致电容器异常发热，在电场和温度的作用下使得绝缘介质加速老化，影响电容器的使用寿命，严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中形成电力谐波谐振，使电网的谐波加剧，出现谐波被扩大的现象，危害更大。同时，由于谐波电压的存在增加了电力变压器的磁滞损耗耗与绝缘的电场强度波电流的存在还增加了铜损，也会大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量,此减少变压器的实际使用容量。与此同时，谐波使变压器噪声增大，甚至会出现金属声。同时谐波对电力测量影响也较大。在目前，采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大，尤其是电能表，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。2.3网谐波准由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和将谐波电压控制在允许的围，为了保证供电质量。世界许多国家都发布了限制电网谐波的标准，或者由权威机构制定限制谐波的规定。各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。很多国家对谐波制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波畸变率大致围为：低压电网(<1kV),一般5%,个别3%、7%；中压电网(24~77kV),一般2%~5%,个别6%高压电网(84kV与以上)，一般1%~1.5%个别2%~5%。/

下表（2-12）是公用电网谐波电流（相电流）限值表2-12电网谐波流限电网标准电压

电流总谐波畸变率

各次谐波电压总含有率（%）（kv）0.3861066110

（%）7.04.03.02.0

畸次5.03.22.41.6

偶次2.01.61.20.82.4章小结本章对电网谐波的基本概念、数学表达式、谐波来源与危害进行了讨论，研究了电网谐波产生的原因。还对衡量谐波的主要指标做了分析，为了更理解谐波对谐波的相关问题进行细致的分析。为进行电网谐波的分析与检测和抑制奠定了基础，进一步引出谐波电流检测的分析。/45

ii第三章基于瞬时无功功率理论谐波电流检测方法谐波检测是谐波抑制中的关键技术,目前工业上广泛采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。本章首先介绍了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测。3.1时无功率理论的基原理电网电压或电流中含有谐波或不对称分量时功率现象比较复杂，传统功率理论很难做出正确的解释由赤木泰文提出了三相瞬时无功功率理论，此后该理论不断被研究并逐渐完善[该理论是将三相电路的各相电压和电流的瞬时e

e

ei

i

i变换到两相正交的坐标系上进行研究

i

C

222

由下面

面的电压、电流矢量关系可以进一步研究：e

ei

i

i

i

e

i

i

e

i

i

i

图3-1

坐系电、流量/

qq定义三相电路瞬时有功功率p瞬时无功功，由坐标系矢量图得到：piiqii

将其写成矩阵的形式：

ee

eipqi

ee

e

3.2流检测坐标变换关的分析在电流检测中的空间矢量法主要有涉与到有

变换与

变换[

下面我们针对它们之间的变换关系进行分析。3.2.1三相静止系到相静止系的变换如图3-2-1所示，a轴

轴重合，在同一平面上绘

个坐标系。设三相绕组每相有效匝数N，两相绕组每相有效匝数，各相磁动2势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于相关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时间在变化着，下图中磁动势矢量的长度是任意的。Nib

Ni

O

Ni

Ni

Ni图3-2

变空矢图/

iiiaaii3aiiiiaaii3ai32ii23设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两绕组瞬时磁动势在α、β轴上的投影都应该相等，由此可得

1N23N32

122式中为三相坐标变换到两相坐标系的系数。考虑到变换前后总功率不变，在32这个前提下，可以证明得到，匝数比应3。32如果要变换标系，则需要一个条件，就是无中线或无零序电流时三相电流关i。根据图3-2-1与三相电路关系可得：ab12

03232

3.2.2两相旋转坐变换两相静坐标

换的关系关d换年布隆代尔便提出分析交流电机耦合振荡的双反应方法，1929年帕克在此基础上提d标系统表示同步电机基本方程d换即为著名的Park变换。止坐标系d为旋转坐标系，当旋转坐标系中的旋转角度为零时，则转坐标系就变坐标系了，d变换

=0）时的特例。如-2-2所示，两相交流电ii和两个直流电ii产生一样的以同步转旋转的合成磁动于各绕组匝数都相d等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示可以标i。N/

iidiid0i

i

i

i

i

icos

i

isin

iicos

图3-3

、

和

dp

坐系间量q轴和矢i都以转旋转，分ii的长短不变，相当dq绕组的直sdq流磁动势静止的d轴的夹时间而变化is

轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，iiii之间存在以下的关系：

当存在零序电流时i，所以可得d的变换式为：00i00

010

3.3波检测几种方法比谐波检测是谐波问题的重要分支，下面我们将对检测的方法进行分析比较：（1）模拟滤波器采用模拟滤波器的优点是原理和实现电路简单、造价低、输出阻抗低和品质因数易于控制，且能滤除一些固有频率的谐波。模拟滤波器是早期的一种谐波检测方法。下3-2-1为模拟并行滤波式谐波检测装置框图。图中输入信号经放大后被送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率是固定不变化的，为f，f，…，（是工频的整数倍2/

图模拟波该方法的缺点：实现电路的滤波中心频率ff，…f）对元件的参数很2n敏感，且受外界环境的影响很大，所以很难获得理想的幅频特性和相频特性；检测的谐波中含有较多的基波分量使得检测精度较低；当需要检测多次谐波时，电路变得复杂，设计起来很大难度；这种方法存在很大的不足，现如今已很少采用这种检测方法。（2）基于傅立叶变换的谐波检测与分析方法又叫做频率分析方法，该方法检测精度高、实现简单、功能多而且实用很方便，在谐波检测方面的应用最多也最广泛的一种方法。这种方法是由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本理论构成的。但是这种方法也有缺点，实际采样不是同步的，从而造成了频谱泄漏误差较大，导致测量误差很大，要考虑使频谱泄漏减小的方法。随着电力系统谐波检测要求的提高与新的谐波检测方法日益成熟，该方法已经不是很广泛的被应用了。（3基于神经网络的谐波检测方法

该方法的应用优点可以说是学习起来简单，可以自学，可以不用计算补偿电流的，避免了一些复杂计算，而且有广泛的适应性。由于这种方法的检测精度还有待提高，一些电力工作者试着应用神经网络控制的自学性和自组织性来提高检测的精度，但是就目前来看还没形成一种规的方法，还需要大量的训练样本。神经网络算法是有缺点的，这种方法的精度对样本有很大的依赖性度很难把握看这种方法不是很多的被研究者采用了。（4）基于小波变换的谐波检测方法小波变换这种新型的理论是数学发展史上的重要结果，目前已广泛应用在了谐波检测方面。小波分析是一个时间和频率的局域变换，因此能有效地从信号中提取信息，这种方法解决了傅立叶变换中不能解决的许多问题和困难，小波分析是通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行了多尺度细化分析。小波变换可以算出某一特定时间的频率分布并将各种不同频率组成/

的频谱信号分解为不同频率的信号,而通过小波变不但可以求出基波电还能求得各次谐波电流。）自适应检测方法

该方法是利用噪声对消法，在自适应信号处理中将基波分量视作噪声，把它从负载中消除，采用最小均方差算法获得补偿电流值。这个方法计算量小，检测误差小，有较好的自适应性，但是它动态响应较慢，适合应用在对谐波动态响应要求不高的时候。（6）基于瞬时无功理论检测法为了能在线实时监测和补偿谐波，1983年由日本学者赤木泰文等人提出了基于瞬时无功功率理论，并又在此基础上提出了两种谐波电流的检测方法，即为i法，目前有源滤波器中最广泛检测pq谐波电流的方法。这两种谐波电流检测的优点是：当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功分量、不对称分量与高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性有缺点件较多，花费大应用这种方法很多，本文就对其中的一种电流检测方法做了详细的分析。3.4于i算法的波电流测p瞬时无功功率理论，已经在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。现阶段在有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用是最多的。检测谐波电流时，因为被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器不同会产生不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于三相整流桥这电网中典型的谐波源，其检测是有时延的，所以该方法具有很好实时性[根据三相瞬时无功功率理论建立的谐波检测方法有p

法

i法。但是

法受电压畸变的影响较大，准确性不高。所以下们主要介绍基于瞬时无功功率理论i法。pq由交通大学的王兆安教授在二十世纪九十年代提出的

i谐波电流检测方法们介i方法原理所示LockLooppq为锁相环，锁相环电路就是获得同步旋转角的。在该方法中，需要用到相电网电e的基波正序分量同相位的正弦信

三相电iii通过C和可以得i经过低通滤波器apLPF滤波可以得i

p

i的直流分iiqq

在这里ii是由电流基iqaf

ibf

/

iiafpiiiafpii产生的，于是再ii经Park变和变就会得到基波电ipqaf

ibf

i

然后用三相电流减去这基波电流后可以得到谐波电i

i

ich

以上就是简要的原理概述。e

sintii

i

C

ii

C

ii

ii

C

ii

C

iafibfi

iii图3-5

ipq

检方原图图C

2222

计算出基波有功电流和基波无功电i

p

i：q

CC

然后经低通滤波器LPF滤波得ii的直流分ii。由i，i是i，i，pqqbfi所产生的，因此ii即可计算出pqibf23

进一步我们计算出谐波电流

aicf

3.5章小结本章是这篇文章的切入中心，介绍了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，/

并对涉与到的坐标变换做了详细的分析，将谐波检测的几种方法做以简单的优缺点分析并进行了比较分析后引出了本文的应用方i-i算法的谐波电流检测这种方法做了理论的分析，说明了是怎样检测出谐波电流的，以上就是本章的大体容。/

b33b33第四章

针对

ipq

检测方法的一种改进与介绍分析了时无功率i检测方的改进介绍了软的分析psimulink的环境介绍，这一章的分析为了接下来的仿真做了前提工作。4.1时无功率i检测方法进后的优点pq低通滤波器在基于瞬时无功功率的谐波检测中是都要应用的。若要应用模拟滤波器，其动态响应慢，且过渡时间也要近两个周期。若要使用数字滤波器，常用的数字滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器，虽然这些延时是相对较小的，但是数字的实现比较繁琐，而且计算量相当大。无论是应用哪种滤波器因为它幅频特性的通频带与过渡带除了允许直流通过外，还有一些低次谐波成分也通过了滤波器，这样就给补偿电流引进误差，正是因为这个原因，我们将这种方法进行了改进，改进后可以克服上面提到的缺点，改进后的基于瞬时无功功率理论能减小误差，使得检测结果更接近预期结果。因此，我们应用改进后的i检测方法进行检测分析，这种方法很好的对原p来的方法进行了优化。4.2改进的时无功率检测方法原理分本文用直流分量法ii算法加以改进，用一个计ii的直流分量模块来代pqp替低通滤波器最后得ii，从而实现了“低通滤波器”。我们进ii的直q流分量计算，下面进行说明改进后的方法是如何取代低通滤波器的：被检测的电流假设相对称电流的，则表示如下：iIsin(nanIsin[(nmnnIsin[(nmnn分别为第n次谐波电流幅值和初始相位。式中Inm这样，根据i检测方法原理图3-4-1所示与式子我们可以得到ipq

p

i表q/

pnqnn2pnqnn2达式：22iI[3sinncosnn

sin()]n

22iI[3sinnnn下面我们对（4-2）进行分析就可以发现：(k，即谐波次数为3次，6，9次时ikk0,1,2...)即谐波的次数为1次，4次，7次时

ip

23

Ik

n即谐波次数为2次，5次，8次时ip

32

Icos[3(

，即基波电流所对应的有功电流分量i1

32

I1

p（4-4）式说明当谐波次数3的整数倍时，谐波对应的中的有功电流分量为0；式若谐波的次数不3的整数倍时，坐标系中谐波电流所对应的有功电流分量的频率是基波的3的倍数式在中基波电流所对应的有功电流是恒定的直流分量，该值得大小是由电源电流的幅值与初始相位的余弦值来决定的。综合上述的分析我们可以得到以下的结论i由频率为基波频率三倍的正弦波p和一个直流分量叠加而成的，这个直流量对应着基波电流i方向上的分量，可p以写出表达式为：3iIcos(3k(1,2,3...)nm/

qqpnnTpqqpnnTp对式（4-3）做同上的分析，我们很相似的得到：iIsin(3kn

(k1,2,3...)n

经过周期函数的傅立叶级数表达式可以得到：ai(acos)2n将上式与）式对比就可以得出i2，还有一点要注意的是，因i除pp了直流分量以外，就是基波频率的3倍的正弦波组成的，因此：ip

1T

0

ip

3T

T30

aidt02

式）是对i进行的3基波周期得到的值就是有功电i的直流分量值。得p到i只1基波周期得延迟，同理我们也可以求i也只是需3基波周pq期得延迟。所以本文采用直流分量法来实现“低通滤波器”功能，就只需要1个基波周期得延迟且计算量小迟的时间会更小图4-1为改进后i原pq理图，在图i到直流部i是由连续系统模块库中的积分器、固定时间延迟和加p法器与增益模块构成的，这样一来就很好的取代了低通滤波器[e

i

T

idt

i

C

i

3T

i

i

C

图4-1改进瞬无功4.3件的介

ipq

检方原图MATLAB言是美国司研制开发的大型计算软件，自1985年问/

世以来，一直都受到应用者的拥护，尤其后来的软件更新使得MATLAB言的使用获得了巨大的发展[14]。控制领域的研究者与工程技术人员对此给予了极大关注，国际上众多的知名学者在此基础上先后开发出一系列的相关工具箱，如控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)、神经网络工具箱(NeuralNetworkToolbox)、系统辨识工具箱(SystermIdentificationToolbox)、最优化工具箱(OptimizationToolbox)鲁棒控制工具箱ControlToolbox)，以与集成在MATLAB上的面向结构图的系统分析平台得MATLAB的功能得到了全面提高，几乎覆盖了控制领域各个研究分支，成为国际控制领域最为重要与流行的对控制系统进行分析研究的软件工具。本文章就应用到了MATLAB的simulink真系统来进行谐波的电流的分析，现在MATLAB用的是越来越广泛，尤其它已经在工学方面成了必修课了，可见发展是如此的快，当下的我们也要认真学习这个软件。4.4simulink仿真环境的了解Simulink是MATLAB软件的扩展现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓的模型化图形输入是指simulink供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出与模块的功能，而不必考察模块部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（件进行存取行仿真与分析。同时simulink有如下的一些特点[14]：提供图形用户界面，只要通过点击拖拽就可以完成模型的创建。系统具有分层功能，可以将系统分成多层，每层又可以分成好几部分，使我们的组织系统简洁有效。模型构建完后，可以启动系统仿真功能来分析该系统的动态特性。仿真结果可以图形方式进行显示（类似示波器，便于观察输出结果；可以仿真线性、非线性系统；可以构建连续时间模型或离散时间模型/

4.5本章小本章对基于瞬时无功功率i

p

i检测的一种改进方法并介绍了改进后的优点，q在这里也详细的介绍了改进的原理对此为什么要进行改进也给了相关说明，接下来又对即将使用到的MATLAB软件进行了介绍中对simulink仿真软件进行了环境得而学习与了解，为下一章的仿真做好了铺垫，在本章中对MATLAB介绍只是了解的开端，为了更好的应用这个软件我们还需要认真学习与研究。/

iiCiiiiiCiiiabb第五章

基于瞬时无功功率的

ipq

检测方法的仿真分析5.1真模块编写本文章的模块涉与到由三相坐标到两相坐标的变换还有逆变换等等繁琐的模块，由于变换的过程小模块很多，这样造成仿真时仿真的图形会比较乱，所以将它们做成子模块来进行封装，待封装后即可清晰的观察到具体的仿真图形。5.1三相标向两相坐转换模矩阵实现了三相瞬iii32abc

两相正交坐标系上

的瞬时电流分量ii的变换，即

22

分解可以得到：ii

211iii)323(ii)3这样一来就可以根据它的数学关系来编写出C的仿真模型了。在这里我们将32ii、i变换ii，其中的坐标变换原理与前面介绍的是类似的，就是根据apq它们之间的关系建立的。下图为三相向两相变换的子模块图，将它封装后便可得到简单的带有输入输出的模块，它的功能也和子模块一样的。/

FreqSin_Cos

<signal1>

wt

<signal2>

图5-13/2变换块子块应用MATLAB中simulink的subsystem对图图进行封装后，封装图为：

IaIbIc

IpIq

Ic图5-2封装图5.1.2流分量模的编写向三相坐标转换本文对得到直流的电流进行了改进，原来是应用低通滤波器进行的，现在我们采用直流分量法得ii，有更好的动态响应。下图是实现直流分量的模块。q/

图5-3直流分模在得到i、i后，在下图中和iq*分别代表了得到i、i。下面图形p是两相ii向三相iii变换的子模块。qbf

signal1

11ip*

22iq*

3

Icf

图5-42/3变换子块将上述的子模块封装上便可得到在仿真模型变换模块装后的图形：Iaf

ip*

Iafip*

Ibf

iq*

Icf

Ibfiq*

图5-52/3换子模/

Icf

icficf5.2仿真模搭建首先介绍我们的电流的采集模块，通过这个模块我们获得有谐波的电流然后进行检测谐波电流，电流的采集是应用幅值、频率均不一样的信号进行模拟的i、ia的采集都是一个思路，下面我们进行i的电流采集做简单的介绍：aia

1ia

ia

2图-6i电流的集型a根据每个模块的编写完成后我们可以很快的根据原理图将本文章要仿真的模型图搭建好，首先我们按照已经封装好的模块将它们搭建好后组合起来我们便可以得到下面的图形：

iafibf

IaIpIbIq

图将各个块建来模/

icic下面我们将要根i原理图进行编写仿真模型图据原理图上的pq结构进行编写使得模型可以在simulink中运行，得到的模型如下：

图5-8

ipq

仿模5.3真结果分析与总结在仿真中三相负载电流采用幅值、频率都不一样的信号来进行叠加而模拟的。下面仿真结果是我们模拟采集得到的a相电流即是仿真模型中scope3结果：图5-9采集a相流仿图接下来的并b两相电流都是采用这种方法进行模拟的，iii都模拟a/

后将进行三相坐标向两相坐标的变换通过模拟仿真，我们也可以得到坐标变换仿真的图形，经过三相坐标向两相坐标变换后我可以看见下面的结果：图5-10三相标向相标变通过仿真我们还可以看到电流的基波分量，根据仿真原理模型我们可以得到基波分量，下面是其中一相的基波分量的仿真图形：图基分仿图上面是一相的基波分量们可以在仿真的时候两相坐标变到三相坐标后加入一示波器，则示波器的图形会是三相的基波图形，可得到下面仿真结果：图5-12三电的波量因为文中提到过我们的到基波分量后总的电流减去基波分量后得到的便是电流的谐波分量，在本篇文章中用的是改进的i

p

i方法进行检测谐波电流，我们q也可以将两种方法得到的谐波进行比较，这样更能说明改进后的优点，使文章更具/

有说明性。下面得到的是分别应用原始的i检测方法和改进后的方法进行的仿pq真后得到的谐波电流：图5-13

传的

ipq

检方计得的波从仿真