1、.装订线.毕 业 论 文基于瞬时无功功率理论的三相谐波电流分析与检测院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化 3 班届 次 2015 届_ _ _学生姓名 _ _学 号 _指导教师 _目 录摘要 .Abstract .1 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文主要内容 .22 谐波与谐 波分析 .32.1 谐波的 产生及分布 .32.2 谐波 的危害 .42.3 电网谐 波的相关标准 .62.4 谐波的抑制 .83 瞬时无功功率理论及其应用 .123.1 瞬时无功功率理论定义 .123.2 坐标系中的 瞬时无功功率理论 .123.3 p-
2、q 检测法 .133.4 ipiq检测法 .164 仿真分析 .174.1 基于瞬时无功功率理论的 ip-iq 检测法建模 .174.2 波形分析 .215 总 结 .24参考文献 .25致 谢 .26ContentsChinese Abstract.English Abstract .1 Introduction .11.1 Background and significance of the selected topic .11.2 Research of harmonic at home and abroad .11.3 Main idea of the paper.22 Harmoni
3、c and harmonic analysis .32.1 Production and distribution of harmonics .32.2 Harm of harmonics.42.3 The relevant standards for the harmonic of the electric network .62.4 Suppression of harmonics .83 Instantaneous reactive power theory and its application .123.1 Definition of instantaneous reactive p
4、ower theory .123.2 Instantaneous reactive power theory in coordinate system.123.3 Detection method of p-q.133.4 Detection method of ipiq .164 Simulation analysis.174.1 ip-iq detection models based on instantaneous reactive power theory.174.2 Waveform analysis.215 Conclusion .24References .25Acknowle
5、dgement .26基于瞬时无功功率理论的三相谐波电流分析与检测【摘要】近年来，随电力电子技术在电力系统中的广泛应用以及非线性负荷的增加，工业得到了快速的发展，但也使公用电网的谐波污染越来越严重，导致电能质量的下降，使供电、用电的安全、经济性以及居民的生活受到严重影响。因此有必要实时准确地测量出电网中的谐波含量，从而进行谐波抑制。目前谐波检测方法的达数十种，其中由日本学者赤木泰文提出的“瞬时无功功率理论”的应用最广泛，包括 p-q 算法和 ip-iq 算法。其原理是把三相电路的 ia ，i b ，i c 的瞬时值转换到另一个坐标系 -上研究，此法可以在三相电压对称且无电压畸变时准确地测量出基
6、波电流，进而求出三相谐波电流。最后，用 MATLAB 7.0 中的 Simulink 软件搭建电路模型，进行仿真，得出波形。关键词：谐波 谐波电流检测 瞬时无功功率理论 MATLABResearch on Harmonic current detection based on Instantaneous Reactive Power Theory in Three-Phase CircuitAbstract Recently, with the wide application of power electric technology and the non-linear load devic
7、e used in power systems, industry has been developed rapidly. But the harmonic pollution of the power system is gradually serious and decreased the power quality. The decline of power quality will affect the power supply and the security and economic of electricity. Its also affect the lives of the
8、population. So, it is necessary to measure the harmonic content accurately and timely. There are many methods of harmonic detection, and the most widely used is based on instantaneous reactive power theory, contains p-q and ip-iq algorithms. The principle is to convert the instantaneous value of the
9、 three-phase circuit ia ,ib ,ic to another coordinate system names -. This method can be used to detect the fundamental current when the voltage is symmetry and without distortion, then the three-phase harmonic current is obtained. Finally, the simulink in matlab 7.0 is used to build models and anal
10、yze the wave.Keywords：Harmonic; the harmonic component current detection; instantaneous reactive power; MATLAB11 绪论1.1 课题背景及意义近几十年来，随着全球工业的快速发展，生产技术和水平有了很大的提升，电力电子技术得到了广泛应用。大量整流装置，换流装置，电压调整装置以及部分家用电器等具有波动性或非线性负载的投入使用,产生了大量谐波，使得电力网络中的谐波污染越来越严重，导致电能质量下降，严重影响到电力系统的安全、稳定和经济运行。因此，检测分析电网中的谐波含量，实时掌握电网中谐波的实
11、际情况，进而进行谐波抑制非常重要，对减少危害、保护系统安全具有重大意义。1.2 国内外研究现状我国早在十一五规划纲要中就指出,要通过新技术实现节能。目前全球将节能的重点放在工业和交通业两个方面,其中工业是重中之重。而工业用电,不论在供电还是配电方面都存在大量问题,这些都与谐波有着不可分割的关系。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，对电能质量的要求也越来越高，因此，谐波的分析和治理迫在眉睫，这也完全符合我国的科学发展观和可持续发展战略。1961 年，我国开始着手研究谐波，目前已有上百家公司及科研单位从事有关于谐波抑制的研究。谐波处理的主要方法有：尽可能减少谐波源的谐波含量；采用多环流和PWM
12、 技术；利用滤波器进行谐波处理。现在电网主要选择控制整流器进行谐波分析，这必须将交流变为直流，本身就会导致电压波形发生严重的畸变，产生谐波。从开始研究谐波至今，我国采用的谐波抑制方法主要分成三种：一是只能吸收固定频率谐波的传统无源滤波器，由于容易发生谐振现象，这种滤波器已经很少使用；二是现今应用普遍的有源电力滤波器，这类滤波器需要高技术来实现，难设计、成本高，目前仍处于研究和试验阶段；第三种是混合滤波装置，将有源滤波与无源滤波技术相结合，可以达到很好的滤波效果。德国早在上世纪六十年代就提出电力谐波会对电网产生干扰。七十年代以来，谐波带来的危害越来越明显，各国纷纷投入大量人力物力从事谐波问题的研
13、究，并组织过多次学术研讨会。1969 年,Bird 和 Marsh 等人提出可以向电网中输入三相谐波电流来减少电网中谐波电流的含量,进而改善电流波形,这是有源电力滤波技术的萌芽。1971 年,Sasaki和 Machida 提出了有源电力滤波技术,较为完整的阐述了有源电力滤波器的原理,即通过产生与负载谐波和无功电流大小相等但方向相反的补偿电流来抵消负载谐波和无功电流,以达到净化电网改善供电环境的目的。由于当时采用线性放大器来产生补偿电流,成本高2且损耗大,并未获得实际应用。到 1976 年,L.Gyugyi 等提出用大功率晶体管 PWM 构成的逆变器来控制有源电力滤波器 APF，从而抑制谐波,
14、这引发了普遍的关注,并且确立了有源电力滤波器 APF 的完整概念与主电路的拓扑结构。八十年代后，随电力电子技术以及PWM 技术的飞速发展，有源滤波器的研究成为热点。目前设计研究 APF 技术的基础理论是三相电路的瞬时无功功率理论，控制技术、信号处理技术以及 GTO、IGBT 等开关器件的应用也使有源滤波器在实际应用中得到快速发展。1.3 论文主要内容本论文具体构成及主要内容的安排如下：第一章“绪论”简要介绍了所选课题的研究背景、意义以及国内外现状，表明了谐波治理的重要性；第二章“谐波与谐波分析”，具体介绍了谐波的产生、危害，国内外谐波标准以及谐波的抑制；第三章“瞬时无功功率理论及其应用”，介绍
15、了基于瞬时无功功率理论的 p-q 算法和ip-iq 算法；第四章“仿真分析”，介绍了利用 Simulink 软件建模过程和三相谐波电流波形的检测；第五章“总结”着重介绍了整篇论文结束之后得出的结论，指出了不足之处并作出说明。32 谐波与谐波分析2.1 谐波的产生与分布“谐波”一词源于声学，定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，频率为基波频率的整数倍。”从定义中看出，谐波的次数必须是正整数（3 次，5 次）。我国规定的额定频率为 50Hz，二次谐波频率为 100Hz，三次为 150Hz；美洲有些地区基波频率为 60Hz，二次谐波频率是 120Hz，三次是 180Hz频率介于工频谐波之间的、
16、而不是工频整数倍的谐波称为间谐波,主要源于换流器、电弧炉、感应电动机和静态变频器等；次谐波是比工频基波频率更低的分量；非基波频率整数倍的谐波则称为分数谐波。次谐波和分数谐波会对基波产生调幅从而影响到家用电器的正常使用。早在十八世纪，科学家们就开始在物理学上对谐波问题进行了研究，但一直没有得到进展。直到数学家傅里叶等人提出并证明了周期函数能展开成正弦级数，才有了谐波的数学分析。上个世纪初在德国，就有人发现了静止汞弧变流器的投入使用让电流、电压波形产生畸变，此后人们对电力系统的谐波问题产生了广泛关注。理想电路中电压电流都是由频率恒定且单一的电源提供，当电压发生畸变或正弦电压施加于非线性元件上时，产
17、生的电压和电流不再是基波频率，将他们叠加起来就是谐波电压和电流。用傅里叶级数分解周期性非正弦波形以后，得到两种谐波分量，一种是频率与基波频率相同的分量，另一种是频率为基波正整数倍的正弦波分量。谐波的基本概念为：（2-1） ()=0+=1(cos+sin)式中：0=1220()()=120()cos()=120()cos()谐波次数=谐波频率/基波频率的整数倍。4由上可知，不同次谐波的频率、相角和幅值都不相同，可以分为奇次谐波和偶次谐波；由于三相系统电路的电压电流的对称性，会消除偶数次谐波，所以电网中只存在奇次谐波。现代工业中，导致电力系统中电压电流波形的畸变主要有两大因素。第一，R、L、C 等
18、非线性元件的投入使用：当电源产生的正弦电压施加在含非线性元件的电路上时，其电流也会变成非正弦波，流经非线性阻抗的电流会产生一定的电压降，使相应的电压波形变成非正弦；而非正弦电压在线性电路中也无疑是产生非正弦电流。第二，电力电子装置的广泛使用：整流器，变频装置、调速装置等电力电子装置在配电网中经常见到,这些负荷的非线性、不平衡性、冲击性等会严重的影响电能质量；产生的高次谐波注入电网，使电压电流波形产生畸变，最终导致电能质量的下降。谐波源指的是能引起谐波的非线性负载。引起谐波的传统非线性装置主要有旋转电机，变压器，电弧炉；现代电力电子技术的非线性装置包括荧光灯，电源，开关及晶闸管等控制设备。发电机
19、等旋转电机主要是在旋转设备的结构设计上存在问题，导致谐波(如锯齿波)的产生；当其铁芯饱和的时候也会产生低次谐波；由于旋转电机产生的谐波含量相对较少，设计技术水平也在不断提高，所以其谐波问题已逐步得到改善；变压器在暂态扰动时产生大量高次谐波，会使三次和五次电压波形发生畸变，其中畸变数量最多的是三次谐波；电弧炉起弧延时和电弧不稳定也会产生谐波；荧光灯的非线性伏安特性使它能产生大量电流谐波，最主要的也是三次谐波；整流器、变流器等电力电子装置在运行吸收无功的同时会产生大量谐波。随着社会的发展，各行各业使用各种不同的电气设备，使得谐波分布严重不均。下表 2-1 是谐波源在不同行业的分布调查，可以看出其中
20、楼宇产生的谐波最多，主要由家用电器和办公设备产生；楼宇、铁路、冶金三个行业占有超过 70%的比例，是有需要谐波治理的重点领域。表 2-1 谐波源的行业分布谐波源行业分布 楼宇 铁路 冶金 机械制造 公共事业 化学 其他制造业占有比例 41.2% 17% 15.5% 8% 5% 4.4% 4% 2.2 谐波的危害高次谐波对公用电力网络也是一种污染。理想电力系统提供的电压具有单一、恒定的频率及规定的幅值，由于谐波电压与电流的产生，使用电设备所处的电网环境越来越恶劣，并且严重威胁到公用电网以外的系统(如通信系统等)。近几十年来，电力电子设5备的普及使公用电网的谐波污染越来越严重，由谐波引起的故障和事
21、故时有发生，不但给社会带来很大的经济损失，甚至对人身安全也构成了极大的威胁，其严重性引起人们的高度重视。研究与分析谐波的危害有非常重要的意义，不但可以得出其所造成危害的原因，找到抑制危害的方法，还可以了解各种装置对谐波的承受能力，制定出谐波限制标准。电网中谐波带来的危害主要体现在以下几个方面：（1）旋转电机(电动机、发电机)容易发热，产生附加损耗，还会产生脉动转矩噪声。当由整流器供电时，旋转电机还会有明显的电压畸变。（2）使无功补偿电容器机组产生谐振或谐波电流放大；由于过电压或者过负荷等现象的存在可能导致电容器损坏，还有可能造成电力电缆过负荷，甚至过电压击穿；国内很多电力系统或用户都遇到过电容
22、器机组无法投入运行，以至于大批量电容器损坏的事故。（3）对供电网络和输电线路也会产生不利影响，增加网络损耗；当有谐振和放大现象的存在时，损耗更加严重。（4）电流波形畸变会严重影响断路器容量，电流畸变存在的时候，在过零时会有很大的didt，这比电流为正弦波时的开断更困难。由于开断时间的延长，切除故障电流的时间也会相应延长，容易引起快速重合闸后的再燃。熔断器的熔断机理是发热，对谐波过电流会引起集肤效应，产生大量热量，使熔断器异常敏感。（5）对变压器产生的影响；负荷电流的谐波进入变压器，产生附加损耗而发热，使变压器的带负载能力随之会降低。在系统电容和变压器电感之间，也可能在谐波频率点发生谐振以及周期
23、性的温度变化，引起变压器铁芯振动，引起附加损耗产生热量，这也会使变压器的带负载能力降低。（6）对电力电子设备的影响；许多个过零问题是谐波发生畸变带来的结果，这些问题会影响甚至使设备不能运行，其中最明显的莫过于数字时钟。应用过零原理的任何一个同步元件都应该考虑到此问题的影响；半导体元器件就常常在电压过零点投入运行，以降低涌流和电磁干扰，但屡次过零使元件的投入时间发生改变，影响设备的正常运转。电力电子中电源用来维持滤波电容器充电的是波形的峰值，但谐波的畸变会改变波形的峰值，使其提高或削平。最后，由于电源运行时输入电压或高或低，即使在均方根输入电压正常的情况下设备运行也有可能遭到破坏。有时候即使不过零，谐波也能影响到过零敏感的电力电子设备，破坏设备的运行。（7）对电气照明的影响；白炽灯的使用寿命会受到电压波形畸变的影响。例如运行电压均方根畸变使其高于额定值时，白炽灯的寿命随着灯丝温度的升高降低。
