单相闭环谐波检测电路设计

1、山西农业大学毕业设计,班级：电气信051班 姓名：李健 导师：刘振宇,单向闭环谐波检测电路设计,摘要： 现代电力系统具有功率处理与控制的特点，与传统电力系统相比，由于大量电力电子装置的投入，造成了日益严重的谐波污染问题，综合治理已迫在眉睫。 谐波被公认为电网的一大公害，受到谐波污染的电能不但会影响系统的运行效率, 甚至可能损坏设备、危害电力系统的运行安全，因此，电力系统谐波及治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作者面前，谐波问题的研究涉及到许多相关学科，有电力电子装置设置，低通滤波器，动态无功补偿，有源电力滤，还有MATLAB仿真软件等。在众多的谐波检测方法中，以瞬时无功功率理论的检测方法为主

2、，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法由于电路结构简单、延迟短、实时性好等优点，得到了广泛的应用,还有带阻滤波法，小波变换检测法等。本文阐述了基于瞬时无功功率理论检测法，即在研究三相电路谐波电流检测方法的基础上，对单相电路电流进行分解，构造另外两相电流，建立了三相电路系统并使用三相电路理论，在应用这种方法检测单相电路谐波电流时，需要通过延时环节构造虚拟的两相甚至三相电路，这就降低了检测算法的实时性，所以然在此比较的基础上讲述了新的检测方法-基于鉴相原理的检测法。鉴相原理一般应用在锁相环的鉴相器中，是利用乘法器和低通滤波器提取两个输入信号相位差的信息，这种方法与传统的单相电路谐波检测算法相比，在响应

3、速度上有了很大提高，其闭环模型提高了检测系统的稳定性。在仿真结果中表明，闭环增益只要选择的理想，就可以使其达到很好检测效果。,第一章 引言,2O世纪9O年代以来，电力电子学已经逐渐成为一门新兴交叉边缘科学，与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。因此，合理开发利用能源已成为当代世界共同关心的问题。电力电子技术在上述现实需求中正发挥着日益重要的作用。但是，由于电力电子装置是一种非线性时变拓朴负荷，由其造成的谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响，被公认为电网的一大公害。因此，电力系统谐波及治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作者面前，谐波问题的研究涉

4、及到许多相关学科，因此，必须努必加强在应用基础方面的研究工作，跟踪赶超世界发达国家在谐波以治理方面的先进技术，加快我国电力系统谐波综合治理的进程。 在传统电力系统中正弦波形被畸变的现象早已存在，由于其功率相对不大，因而危害并不明显。可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求，具体表现为借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对频率、电压、电流、波形及相数的要求。还需注意到，随着超大容量的电力电子装置的使用，现代电力系统正试图将其快速、实时可控性应用于电网的电能输送及运行，正在出现着像动态无功补偿(ASVG，STATCOM),有源电力滤(APE)、可近代移动装置(

5、TCPA)和统一潮流控制(UPFC)等独具电力领域特色的应用。 概括来讲发展的动力来自巨大的技术经济效益。有资料分析，到目前为止，一些发达国家50以上负载已通过电力电子装置供电。国内有专家统计，我国目前电能的30是经过各类功率变换后供用户使用的。,但是，作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在实现功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地会产生非正弦波形，向电网注谐波电流，使公共连接点(PCC)的电压波形成严重畸变，产生很强的电磁干扰(EMI)。 电力工业是一个生产最佳能源产品(电力的生产、输送、分配、转换 时进行)的大系统。如何符合用电负载而求进行有效的能量转换，确已成为当今电力

6、系统日益关注的焦点。而原有的传统的电能形态，在电能的合理、经济使用上，受到了很大的约束和限制(甚至费用)。采用电力电子装置等高技术，在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。然而，电力电子装置的使用，出现的谐波问题反过来以使换流电路的功率因数下降，造成效率降低，与合理有效使用能源相悖。因此，相应的改善措施必然成为另一重要研究课题。所以，分析和研究谐波产生的原因和相应检测方法方法具有重要的现实意义。,第二章 谐波 2.1 谐波概念,“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。电力系统的谐波问题早在20世纪20年

7、代和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量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种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，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。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。 谐波研究的意义，都是因为谐波的危害十

8、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。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。,在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解

9、为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波可能直到第三十次谐波组成。 谐波主要从以下几个方面产生： （1）发电源质量不高。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝缘对称，以及其它一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般很少。 （2）输配电系统。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密度选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电力城尖顶波形，因而含有奇次谐波。 （3）用电设备。当正弦基波电

10、压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流波形因而发生了畸变,由于负荷与电网相连,谐波电流注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源。这些设备主要包含有相控晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、荧光灯等气体放电类光源及家用电器等。,2.2 谐波的产生原因,理想的电能应该是一个具有工频的正弦波，但是由于电力电子装置的广泛使用，越来越多的谐波被注入电网，导致波形发生畸变，严重的影响了电能质量。受到谐波污染的电能不但会影响系统的运行效率, 甚至可能损坏设备、危害电力系统的运行安全。 （1）对输电线路的影响。谐波电流在传输线路中产生附加损耗,使网损增加,加速电缆绝缘老化,影响使用寿命

11、。谐波源和电力系统中的某些电感、电容元件构成串联或并联回路,可能产生串联或并联谐波,形成的谐振环流给线路造成严重危害。 （2）对变压器、电动机的影响。高频谐波注入变压器,将增加附加的铜耗和铁耗，若谐波电压过高,甚至会击穿匝间绕组。谐波会在电机的定子绕组、转子回路以及铁芯中产生附加损耗,电机会产生过热现象,并使电机效率降低。 （3）对电力系统自身的影响。谐波会使电网效率降低,造成电能损失；使电力系统继电保护误动作或拒动；使电力仪表读数精度降低。 （4）对计算机和通讯的影响。谐波一般通过电容耦合、电磁感应等途径影响通信。 （5）对变流器换相的影响谐波含量增大,影响整流器或逆变器换相,甚至造成逆变失

12、败。,2.3 谐波的危害,2.4 谐波的抑制,电力谐波的抑制方法有很多，近几年来发展也很迅速，现归纳如下： （1）提高设备或装置抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能对谐波敏感的设备或装置，改进其性能，采用灵敏的谐波保护装置。为增加系统承受谐波的能力，将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电。 （2）加设电力无源滤波器LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置,它是利用LC谐振来抑制谐波电流,当谐振频率与某一高次谐波频率相同时,则可将该次谐波滤除。用多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流,这种方法简单易行,运行可靠及维护方便，但是耗费多、体积大，且对某些次谐波有放大的可能,。 （3）

13、加设电力有源滤波器在一般情况下,交流器产生的高次谐波随时间变化,采用静止滤波及补偿器无法达到滤除目的及全部补偿，若采用有源滤波器即可达到理想的效果。有源电力滤波器(APF)把谐波经过采样、180移相后,再完整的复制出来,送到谐波源的入网点。复制的谐波与原谐波幅值相等,方向相反,并跟随原谐波的变化而变化,因此,原谐波就被抵消了。有源滤波器由指令电流计算电路和补偿电流发生电路组成。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路则根据指令电流运算电路的指令信号,产生需要的补偿电流。按照接入电网的方式,有源滤波器可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器,近年来又设计出

14、串联混合型和并联混合型有源滤波器。有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点,但其有功损耗较高,综合成本比无源滤波器高出很多,故在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。,但是，随着微电子控制器和电力半导体器件的发展,有源电力滤波器的性价比会越来越高,因此有源滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。 （4）电路解谐改变谐波源的配置或工作方式，将具有谐波互补性的装置集中。否则应适当分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式。这样可以减小谐波的影响，但这对装置的配置和工作方式有一定的要求。避免电力电容器组对谐波的放大，即改变电容器组的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容

15、量，可以有效地减小电容器组对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。,第三章 检测3.1 电力谐波检测的方法,为了有效的抑制谐波, 首先必须对电力系统中的谐波成分进行准确的检测。现有的电流谐波检测方法主要有以下几种： （1）自适应检测法 该方法基于自适应干扰抵消原理,将电压作为参考输入,负载电流作为原始输入, 从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量,得到需要补偿的谐波与无功分量。该方法的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力, 缺点是动态响应速度较慢。 （2）瞬时空间向量法 利用瞬时无功功率理论,即“p-q”理论,对电力谐波量进行测量。即将基波分量与总电流相减得到相应的谐波电流,但是此

16、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,此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。 （3）带通选频法和带阻滤波法 带通选频方法采用多个窄带滤波器, 逐次选出各次谐波分量。带阻滤波法是一种最为简单的谐波电流检测方法,其基本原理是设计一个低阻滤波器,将基波分量滤除,从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单,精度很低,不能满足谐波分析的需要,工程中一般不用。,（4）小波变换检测法 对谐波电流进行动态抑制时,不必分解出各次谐波分量,只需检测出除基波电流外的总畸变电流, 但对出现谐波的时间问题,傅里叶变换就无能为力。小波变换由于

17、克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点, 即它在时域和频域同时具有局部性, 因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。 下面先简要介绍了基于瞬时无功功率检测法的基本理论，然后在鉴相原理的基础上，提出了一种不需要构造三相或两相电路的直接检测单相电路谐波电流的方法，在鉴相理论检测算法的基础上，将惯用的开环检测电路设计成闭环电路以提高检测系统的稳态性能。,3.2 ip-iq单相电路谐波检测,3.3.1 瞬时无功功率 三相电路瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文最先提出，理论打破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时有功功率p、瞬时无功功率q等瞬时功率量，

18、后人发展了这套理论，提出了瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq等瞬时量；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器(APF)的谐波和无功电流实时检测方法，此方法在工程应用中受到了极大关注。 在传统的三相电路中，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法由于电路结构简单、延迟短、实时性好等优点，得到了广泛的应用。这种方法也可以应用在单相电路中，但因瞬时无功功率理论是利用坐标变换的原理，将待检测的三相信号经32变换变换为互相垂直的两相信号，然后经PARK变换变换到两相旋转坐标系下进行相应的检测，所以在应用这种方法检测单相电路谐波电流时，需要通过延时环节构造虚拟的两相甚至三相电路，这就降低了检测算法的

19、实时性。,一般情况下，电网电压波形畸变不大，而电流波形畸变很大，因此假定三相瞬时电压为a、b、c三相平衡的电压源，表示为: 式中， 为电压基波有效值； 为电网角频率。设a、b、c三相电流分别为 ，瞬时有功电流与瞬时无功电流分别为 ，其转换关系为(2) 反变换为：,式中， 为三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵； 为两相旋转坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵。,3.3.2 检测原理 该方法在研究三相电路谐波电流检测方法的基础上，对单相电路电流进行分解，构造另外两相电流，建立了三相电路系统并使用三相电路理论，虽然上述方法解决了这个问题，但是其算法远比三相电路瞬时检测法复杂。 瞬时无功功率理论在坐

20、标变化的基础上，系统地提出了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时量，以此理论为基础，发展起来的检测谐波的技术主要有以瞬时有功、无功功率为基础的p、q法和以瞬时有功、无功电流为基础的 法，下面就以 法为例(如图1)，简要地介绍一下瞬时无功功率理论。 检测法原理如图1所示。其中 为A相电压信号，PLL为锁相环，由锁相环控制其后的正弦、余,弦信号发生电路产生与A相电压同相位的正弦信号sint和对应的余弦信号cost，以此消除电压畸变对检测精度的影响。根据定义可计算出 、 ，经LPF滤波可得出 、 的直流分量 。这里 是对应于电流基波分量 的，因此由 可以计算出 ，进而可以计算出 。,3.3.3 检测 在

21、三相对称系统中，基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测方框图如图2所示。 图中 为A相电压信号，PLL（PLL：phase Locked Loop 相同步回路, 锁相回路,用来统一整合时脉讯号,使内存能正确的存取资料。）为锁相环同步电路模块，锁相环为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法, 主要有VCO(压控振荡器)和PLL IC ,压控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与PLL IC所产生的本振信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化,则PLL IC的电压输出端的电压发生变化,去控制VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目的。,能使受控振

22、荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成。其作用是消除三相电压畸变对检测结果的影响。矩阵CC23为： （1） 、 、 为时刻的三相谐波电流信号瞬时值，它包括基波电流和高次谐波电流。根据对称分量法把它们分解为正序分量组和负序分量组，有 （2） 式中，下标为+n为正序电流，下标为-n为负序电流。 、 、 、 分别为基波（n=1）或n次谐波电流的正序及负序分量有效值和初相位。乘以矩阵C32C就可以得到基波(=1)或次谐波的正序分量,（3） 其中， （4） 经过低通滤波器LPF把交流分量 、 滤除后得到要检测的直流分量 、 。再将它们进行反变换

23、后，就得到了三相基波或k次谐波电流的正序分量： （5） 若取 ， ，重复式（2）（5）运算，即对应为三相基波电流的负 序分量检测。,3.3 基于鉴相原理检测,3.3.1 鉴相原理 鉴相原理一般应用在锁相环的鉴相器中，是利用乘法器和低通滤波器提取两个输入信号相位差的信息，鉴相是指用门电路（一般用锁相环）来调整输出的信号的相位是否正确，如果不正确会输出相应的调整信号。在微处理器芯片中，乘法器是进行数字信号处理的核心，同时也是微处理器中进行数据处理的关键部件。乘法器完成一次操作的周期基本上决定了微处理器的主频。乘法器的速度和面积优化对于整个CPU的性能来说是非常重要的。低通滤波器它就是利用电容同高频

24、阻低频,电感通低频阻高频的原理。对于需要截止的高频,利用电容吸收电感、阻碍的方法不使它通过,对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的特点是它通过。原理图如图3所示: 设输入信号分别为： 式 中为输入信号 和 的相位差。,经乘法器运算后，输出的信号： 低通录波器滤除信号后得到输出信号： 从输出结果可以得到和的相位差 3.3.2 开环检测模型 根据鉴相原理，可以让含有谐波的单相电路的电流分别和与其同频率的正弦、余弦信号经过鉴相电路后，得到含有基波初相角信息的直流量，再利用瞬时无功功率理论中直流信号还原为交流信号的原理，将鉴相后的信号还原为基波信号，原电流减去基波电流，便可以得到谐波电流。鉴相瞬时检

25、测法的原理如图所示。,其中线框内所示的为两路鉴相电路，为保证输出的波形幅值一致，在这里增加了一个增益环节（x2），放大倍数为2，假设要检测的单相电路的电流为： 电压u经过锁相环和正弦、余弦信号发生电路后，得到与其同相位的正弦、余弦信号sin t和cos t，被测电流i经鉴相电路后，得到的两路直流输出信号分另U为： ， 。 这两路电流经乘法器分别与余弦、正弦信号相乘后再相加即为基波电流 ，原电流减去基波电流，即得谐波电流 。,这两路电流经乘法器分别与余弦、正弦信号相乘后再相加即为基波电流 ，原电流减去基波电流，即得谐波电流 。 3.3.3 鉴相理论闭环检测 输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭

26、环参与控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。 传统的开环谐波检测电路，系统稳定性能低，鲁棒性差，易受系统其他参数的影响。为了提高系统的稳定性能，常用的方法是在系统中增加PI环节，可是在检测电路中增加PI环节，无疑增加了其动态响应的时问。考虑到一个积分单元和门阶低通滤波器通过闭环形式可以构造门+l阶低通滤波器 ，又由于在一般的开环检测电路中，低通滤波都采用两阶模型，因此，可以将开环电路模型设置成闭环电路来改善其鲁棒性，采用积分环节来代替低通

27、滤波器，降低设计的难度。设计的闭环模型如图所示：,经运算可以得出闭环检测的传递函数为： 从传递函数可以看出，对于确定的 ， 闭环检测的系统性能主要取决于积 分环节的增益系数K。,4 两种检测法的仿真分析,4.1 MATLAB仿真软件简介 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是一个高级的数学分析与运算软件，可以做动态系统的建模与仿真。MATLAB是一个开放的环境，在这个环境下，人们开发了许多具有特殊用途的工具箱软件，如控制系统、信号处理

28、、最优控制、鲁棒控制及模糊控制工具箱等。 Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。SIMULINK（以前称为SIMULAB）是MATLAB程序的扩展。它们主要不同之处在于SIMULINK是基于windows环境下的图形程序，为用户进行程序分析提供了极大的方便。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 Simulink是MATL

29、AB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不,同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 它具有的特点是：丰富的可扩充的预定义模块库；交互式的图形编辑器来组

30、合和管理直观的模块图；以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；可访问MATLAB从而对结果进行分析与可

31、视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误；,4.2 仿真分析,用鉴相原理检测单相电路的谐波电流，不需要经过延迟环节构造虚拟相，动态响应速度快，实时性好。为了能够直观地反应其动态响应速度， 在Mat1ab70Simulink仿真环境下，与瞬时无功功率检测法的检测结果进行了比较。利用瞬时无功功率检测单相电路时，采用的是单相到两相的构造方法，在两个电路的输入电流相同，且低通滤波器模型相同的情况下，两种检测法输出端的基波电流波形如图4所示。图4的a中，瞬时无功功率检测法要经过一个周期以后才能达到稳定，而鉴相原理检测出的基波电流在第一个周期的后半周就已经达到稳定，如图4的b所示。 a瞬