1、南昌大学自考本科毕业设计 编号 毕 业 设 计 报 告 设计题目： 电力系统谐波分析与抑制技术的分析 专业名称 ： 电力系统及其自动化 报告准备日期 ： 2013 年 9月 2013年 11月 提 交 日 期： 2013 年 11 月 答 辩 日 期： 2013 年 11 月 答辩委员会主席： 评 阅 人： 南昌大学自考本科毕业设计 目 录 摘要 . 1 第一章 绪论 . 3 1.1电力系统谐波的研究目的 和意义 . 3 1.2谐波 的基本意义 与特点 . 4 1.2.1 谐波 的基本意义及数学表达 . 4 1.3电力系统谐波 的原理 . 6 1.3.1 谐波 的基本原理 . 6 1.3.2
2、电力系统 谐波的基本模型 . 7 1.4本文的主要工作 . 11 第二章 谐波的检测 方法以及危害 . 12 2.1谐波的检测方法 . 12 2.1.1 带阻滤波法 . 12 2.1.2 带通选频法和 FFT 变换法 . 13 2.1.3 瞬时空间矢量法 . 14 2.1.4 自适应检测法 . 15 2.1.5 小波变换检测法 . 15 2.2电力系统谐波的危害 . 16 2.2.1 对供电线路的危害 . 16 2.2.2 对电力设备的危害 . 17 2.2.3 对用电设备的危害 . 19 2.2.4 对弱电系统设备的干扰 . 21 第三章 滤波器 . 29 3.1有源电力滤波器的 概述 .
3、29 3.1.1 有源电力滤波器的理论基础 . 29 3.1.2有源电力滤波器的工作原理 . 29 3.1.3 有源电力滤波器的 使用 优势 . 29 3.2无源电力滤波器的 概述 . 33 3.2.1 无源电力滤波器的分类 . 33 3.2.2 无源电力滤波器的工作原理 . 35 3.2.3 无源电力滤波器所受到的影响 . 36 第四章 谐波检测仿真分析 . 40 4.1 谐波信号模型的建立 . 41 4.1.1 MATLAB . 42 4.1.2 电力系统谐波信号 . 43 4.2 MATLAB 小波分析 . 44 4.2.1 信号模型 的小波分析模型 . 46 第五 章 抑制谐波的方法
4、. 40 第五章 总结与展望 . 49 参考文献 . 50 致 谢 . 51 南昌大学自考本科毕业设计 电力系统谐波及其抑制技术的研究 摘要 随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载（谐波源）应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严 重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。 本文首先对国内外谐波问题及其现状进行了描述，介绍了抑制电网谐波的主要方式，由传统 LC滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后 APF 的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生和影响 ,并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。随后对非线性负
5、荷谐波源建立了数学模型 ,并用数学公式推导得出了结论 ,利用 Matlab6.5软件中的 SIMUINK仿真环境为平台建立了模型 ,并仿真证明了非线性负荷用户对线性用户产生的影响。 目前 ,在谐波抑制方面 ,已经有 了实用的很成熟的无源滤波技术 ,但由于无源滤波器存在的一些缺点。有源电力滤波器因其动态补偿谐波的优越性已经成为了一项热门的研究课题。本文在考虑到我国电力系统大多数情况下处于不平衡状态下 ,对现有的基于瞬时无功功率谐波检测方法进行了改进 ,提出了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法 。 基于瞬时无功功率理论的 ip-iq 改进方法。谐波电流检测方法 在系统稳定情况下进行了仿真分析
6、 ,证明了 ip-iq检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波。 研究了并联有源电力滤波器电流控制方法 ,确定采用三角波比较控制方式作为本文所 研究三相三线制并联有源电力滤波器控制策略。 最后依据前面所研究的谐波检测方法和控制部分构建了三相三线制并联有源电力滤波器 进行了 Matlab 仿真实验 ,仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。 南昌大学自考本科毕业设计 2 关键词 电力系统谐波 ; 脉宽调制 ; 有源电力滤波器 ; 瞬时无功功率理论 ABSTRACT With the development of electric power systems as well as the o
7、pening up of electricity markets, power quality problems has attracted wide attention. Due to various nonlinear loads (harmonic) wider, increasing pollution of harmonic to power grid. Therefore, harmonic and suppression technique has become the subject of widespread attention at home and abroad. Fir
8、stly the harmonic problems and describes the status quo at home and abroad, introduced the main means of suppressing harmonics from the traditional LC filter to the development process of shunt active power filter and its future development trend of APF. Introduces the basic concepts of electric pow
9、er harmonic as well as the emergence and impact of nonlinear load harmonic source and conducted an analysis of several typical nonlinear harmonic sources. Subsequent establishment of mathematical model of nonlinear load harmonic source and mathematical formula came to a conclusion, using Matlab6.5 s
10、oftware, SIMUINK simulation environment for platform was established in model and simulation to prove the impact of nonlinear load users for linear users. At present, in the harmonic context, already has a practical passive filter technology is mature, but due to the existence of passive power filte
11、r some of the shortcomings. Because of its dynamic compensation of active power filter harmonic superiority have become a hot research topic. This paper, taking into account the electric power system in most cases in an equilibrium State, were made to the existing harmonic current detecting method b
12、ased on 南昌大学自考本科毕业设计 3 instantaneous reactive power improvement, presents three-phase three-wire shunt active power filter for harmonic detection method. IP-IQ beg for improvement method based on instantaneous reactive power theory. Harmonic current detecting method for simulation analysis of system
13、s under stable conditions, proves that detection IP-IQ method and accurate detection in real time under different load harmonics. Study on current control method for shunt active power filter, determines this triangle wave comparison control method, as this study on control strategy for three-phase
14、three-wire shunt active power filter. Finally based on earlier research of harmonic detection method and control part-built three-phase three-wire shunt active power filter and Matlab simulation, simulation results show a good compensation for the filter performance. Key words： of power system harmo
15、nics; Pulse width modulation; Active power filters Instantaneous reactive power theory 南昌大学自考本科毕业设计 4 第一章 绪 论 1.1 研究的目的 和意义 随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全 运行。 20世纪 80年代以来，电力电子学已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
16、也得到迅速发展。但由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷，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，电力系统谐波及其治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作者面前。 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
17、及运行，正在出现着像动态无功补偿（ ASVG， STATCOM）、有源电力滤波（ APE）、可控移想装置（ TCPA）和统一潮流控制（ UPFC）等独具电力领域特色的应用。 目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究。并进而采取相应的抑制措施，是一项 非常迫切的任务。 改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的。相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。本文所要研究的主
18、要就是如何在用户侧抑制用户产生的谐波电流以及电流南昌大学自考本科毕业设计 5 不对称等电能质量问题。 谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，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，还会引起供电电压 畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响
19、。谐波研究的意义还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色” 的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及 其抑制技术已日益成为人们关注的问题。 我相信，只有研究出抑制谐波的方法，才能彻底的使电能的生产，传输和利用的效率达到最大化，是造福子孙后代的福利。 南昌大学自考本科毕业设计 6 1.2 谐波 的基本意义 与特点 1.2.1 谐波 的基本意义及数学表达 谐波 (harmonic wavelength)，从严格的意义来讲，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
20、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。从广义上讲，由于 交流电 网有效分量为工频单一频率，因此任何 与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时 “ 谐波 ” 这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了 “ 分数谐波 ” 、 “ 间谐波 ” 、 “ 次谐波 ” 等等说法。 谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载， 基波电流 发生畸变产生谐波。 主要非线性负载有 UPS、 开关电源 、 整流器 、 变频器 、 逆变器 等 。 泛音 是 物理学 上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率 2倍的音频称之为一次泛音，基波频率 3倍的音频称之为二
21、次泛音，以此类推。 谐波的数学表达 上式称为 f(t)的 傅里叶级数，其中， =2/T n 为整数， n=0 n 为整数， n=1 在间断点处，下式成立： 南昌大学自考本科毕业设计 7 a0/2 为信号 f(t)的 直流分量 令 c1 为 基波 幅值， cn 为 n 次谐波的幅值。 c1 有时也称一次谐波的幅值。 a0/2 有时也称 0次谐 波的幅值。 谐波的 频率 必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率 3倍的波称之为 三次谐波 ，基波频率 5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是 正弦波 。 1.3 电力系统谐波 的原理 1.3.1 谐波 的基本原理 电力系统中有产生谐波的
22、设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。当前，电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有 5 大类： 1、软启动器（可控硅 电机启动器）； 2、开关电源、 UPS、逆变元件、电池充电器； 3、变频控制的电机、起重机、电梯、泵等制造过程控制； 4、电子数据图像设备 -如电视等无线电发射设备，可控灯光设备； 5、整流器、荧光灯等。 这些设备由于自身的工作特点，即 使供给理想的正弦波电压，它们取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。 频率为 50Hz 的正弦波波形，称基波， 50Hz 称基波频率。谐波为一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率整数倍。谐波用基波倍数表示，例如频率为150Hz
23、的正弦波称为 3次谐波、频率为 250Hz 的正弦波称为 5 次谐波、频率为 350Hz的正弦波称为 7 次谐波，依次类推。 南昌大学自考本科毕业设计 8 1.3.2 电力系统 谐波的基本模型 电力系统各基本元件的谐波模型是电力系统谐波分析的基础 ,而谐波源的谐波模型对谐波分析精度具有更重要的作用。除了电力电子装置、电弧炉 等公认的谐波源外 ,传统的变压器、电抗器等由于越来越倾向于工作在其铁芯磁化曲线的饱和段 ,使这些设备的激磁电流严重畸变 ,因而当电网轻载 ,电压较高时 ,这些装置很可能成为一种新的谐波源。 1.4 本文的主要工作 电力系统的谐波理论 包含内容广泛，本文主要研究了其中 谐波研
24、究的目的以及谐波的基本概念和数学表达 ， 其中谐波的概念和数学表达是根本，从数学的角度分析的谐波的各项分量之间的关系，至于正确分析了谐波的各项分量和特征，才能更好的制定出方案去抑制谐波。并且本文对谐波的基本原理和模型都有了较为细致的介绍，这样才可以更贴切，更 全面的了解谐波。 本论文的主要框架 如下： 第一章：绪论 主要介绍了 电力系统谐波的研究的目的和电力系统谐波的研究的意义。 并且对电力系统谐波的定义以及数学表达都有了较为详细的介绍，并且对谐波的原理和基本模型都有了较为深刻的理解， 同时介绍本文的主要工作。 第二章 ： 谐波的基本意义与特点 主要介绍了电力 系统谐波的基本定义和数学表达方式，主要介绍了谐波之间分量的关系。 第三章： 电力系统谐波的原理 主要研究 了电力系统谐波的原理和基本模型，只有掌握了谐波的基本模型，才可以更深入，更透彻的研究谐波，发现问题，找到抑制谐波的有 效的正确的方法。 第四 章：总结与展望 对答辩论文 己 完成的工作做出总结。
