基于小波变换的谐波电流检测、抑制及线损分析（可编辑）

基于小波变换的谐波电流检测、抑制及线损分析（可编辑） 密 级: 分类号: 单位代码: : 华北水利水电大学硕士学位论文 基于小波变换的谐波电流检测、抑制及线损分析,、州 研 究 生姓 名: 理塞这 指 导 教 师: 毖型:型 麴握 业 专 名 称: 槿式迟墨』量蟹能丕统 所 在 学 院: 电左堂暄 年月瞅剿 独立完成与诚信声明 本人郑重声明:所提交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研 究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为。文中除已经标注引用的内容外,本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果,也不包含为获得华北水利水电大学或其它教育机构的学位或证书所 使用过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 保证人导师签名: 学位论文作者签名:彳碍皇欤 罗“枷 签字日期: 签字日期: 弓.多.弓 矿,,岁., 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利 水电大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索,并采用影 印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部 门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。涉密的学位论文在解密后应遵守此规定 砌沁 导师躲弓么? 学位论文作者签名:秭墨?宅欠 签字日期: ”,,’、? 签字日期:/炙,弓摘要 基于小波变换的谐波电流检测、抑制及线损分析 摘要 随着电力系统的不断发展,各种电子器件的广泛使用,电流谐波注入日趋增多,导 致系统的电压和电流波形发生畸变,电能质量降低。谐波污染对电力系统构成严重威胁, 对谐波进行检测,并且控制其在允许范围内,已经成为电力系统最为迫切解决的问题之 一。因此,本论文对谐波检测,以及谐波造成的线路损耗和谐波抑制进行了研究。主要 的研究内容如下: .在对电力系统谐波的定义、谐波源、谐波的危害与影响以及谐波 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进行了论述 的基础上,分析了几种主要的谐波检测方法,如傅里叶变换法、瞬时无功功率 法、模拟 测量法、自适应法、神经网络法和小波变换法等,论文采用小波变换分析方法对谐波电 流进行检测。 .基于小波变换和傅里叶变换方法,对谐波电流信号进行了检测及线路损耗分析。 利用小波变换法多分辨率分析的特点,对谐波电流的稳态及非稳态信号进行检测,得到 了电流信号的稳态和非稳态信息;选用小波对电流信号进行分解,将基波信号和谐 波信号分离出来,并且对得到的谐波电流信号进行了重构,获得各次谐波电流信息;利 用傅里叶变换方法,得到各次谐波电流的频谱信息:基于建立的谐波电流功率损耗模型, 计算得到含有不同次谐波电流的电流畸变率、功率因数以及造成的线路功率损耗增加 率。 .在对不同的谐波抑制方法进行分析的基础上,通过比较不同控制方式的 型,基于平均电流控制的型,利用中的与工 具箱进行建模,并且对系统的参数电压源模块、谐波源模块、测量模块、负载、仿真 环境分别进行设置,进行了仿真研究,对检测出的谐波进行了有效地抑制。 关键词:谐波电流,小波变换,线损增加率,谐波抑制,仿真华北水利水电大学 硕士学位论文,?: ,, ., ., .: ., , , , , , , , , , . . , . ?,, ;,, , ; ; ,,. .,, 华北水利水电大学硕士学位论文 , .,, , , .: ; ; ; ; 目录 目录 摘要? 绪仑? .本课题研究的目的及意义.谐波研究的国内外研究动态? .本论文研究的主要内容 谐波检测方法 .电能质量 .谐波的基本概念 .电网谐波电压与谐波电流限制? .谐波的危害及影响 .谐波检测分析方法 ..瞬时无功功率法 ..模拟测量法..神经网络法..自适应谐波检测法.。基于傅里叶变换的谐波 检测方法..基于小波变换的谐波检测方法 .本章小结??” 基于小波变换的谐波电流检测及线损分析??” 。谐波表示法?一 .基于小波变换和傅里叶变换的谐波检测?” ..离散小波变换分析及重构..多分辨率分析? ..傅里叶变换分析 ..谐波检测及线损分析? .仿真研究??.. .本章小结??..华北水利水电大学硕士学位论文 基于的谐波抑制仿真研究 .电力系统谐波抑制的方法?.. .. 滤波器??.. ..有源电力滤波器 .无源功率因数校正?.. .有源功率因数校正?.. . 型的工作原理? . 型的控制方法? ..峰值电流型控制模式? ..滞环电流型控制模式? ..平均电流型控制模式? . 型的仿真研究? .. 仿真基础..系统仿真模型的构建? ..系统仿真结果的分析? .本章小结??” 结论与展望一 .结论一 .展望? 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文致谢? 参考文献??“绪论 绪论 .本课题研究的目的及意义 随着人民生活水平的提高,电子器件在工业领域与消费领域的普遍应用,谐波污染 问题已经越来越严重,极大地影响了电力系统的安全,所以需要对谐波问题进行行之有 效的研究。并且伴随现代工业技术的发展与计算机技术的应用,用电设备特别是微机保 护、通信系统、计量和控制装置等较为精密的装置对电能质量的要求越来越高,减少谐 波对电气设备的影响,并且控制公用电网谐波量在允许范围内,已经成为电力系统最为 迫切解决的问题之一。 谐波对电力系统造成非常严重的危害,一方面降低电能的传输和利用率,使得电力 系统的电子器件过热、出现噪声与振动,并且使得电子器件绝缘老化,使用的 寿命缩短, 甚至使电子器件被烧毁;另一方面谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐 波含量放大,造成电容器等器件烧毁;谐波还可以引起继电保护和自动装置误动作,使 电能计量出现混淆。对于电力系统外部,谐波也会对电子设备和通信设备产生严重的干 扰。 对谐波的分析和研究可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度出发。对于 电力系统本身,没有谐波含量为“绿色”的重要标志之一【】。 对谐波的研究包含很多内容,如谐波检测、谐波分析、谐波补偿、谐波抑制、电网 谐波潮流计算、谐波限制标准等。谐波问题中的主要内容为谐波检测,是进行谐波分析 与测量的一项重要任务。同时,将检测后的谐波进行有效地抑制,将其限制在允许范围 内,保障电力系统的安全、稳定、经济运行【】。 .谐波研究的国内外研究动态 在二十世纪的二、三十年代,人们开始对谐波问题进行研究。当时,由于变流器的 使用引起电压、电流发生畸变,并由此提出了电力系统谐波的概念。年,.. 对于变流器的谐波问题进行研究,其是早期较为系统的有关谐波的论文【。 ..在 中对谐波进行了具体的总结【,此书 包含很多关于谐波问题的文献。到了七十年代,随着科学技术的不断进步,各式各样地 电子产品在通信、信号处理等方面得到了广泛应用,故由谐波所产生的危害在不断加重。 各个国家对谐波给予了高度的重视。国际会议展开了很多关于谐波的研究,并且制定限 制用电设备的谐波与电力系统的谐波规定。 华北水利水电大学硕士学位论文 我国研究谐波问题比较晚。吴竞昌等人出版了关于谐波问题较有影响的著作【】,介 绍了国内外电网谐波研究方面的新技术、新方法和新标准,汇集了大量现场测试数据和 专题研究成果,较全面地反映了电网谐波技术的基本问题,包括暂态和稳态谐波源,谐 波的危害、测量、标准、计算以及抑制方法。后来,许克明等出版的《电力系统高次谐 波》【,主要介绍电力系统波形的畸变问题,具体内容有高次谐波的产生、谐波分析、 正弦波形畸变指标、电网谐波的评估计算等。夏道止等出版的《高压直流输电系统的谐 波分析及滤波》【包括换流站的谐波分析、交直流系统谐波潮流计算、谐波的抑制和滤 波装置 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 等,且系统地论述了国内外参考文献与研究成果中的有关内容,提出了交直 流电力系统的基波和特征谐波潮流统一算法、非特征潮流统一算法,以及滤波装置参数 的优化设计方法,并且唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了.等的《电 力系统谐波》一书?,在国内也有较大的影响。年,王兆安等人出版的著作?】, 主要介绍了静止无功补偿装置、高功率因数整流器、有源电力滤波器等无功补偿的新方 法,阐述了谐波与无功功率的理论基础、谐波分析、功率因数以及滤波方法等,其是国 内介绍谐波分析和治理较为全面的著作。近年来,国内期刊与有关会议上发表的谐波相 关论文越来越多,谐波问题已经成为了研究的热点话题。 谐波对电力系统与用电设备运行的稳定性、安全性和可靠性造成非常大地影响,对 电力系统中的谐波分量进行快速、准确地检测就显得尤为重要。文献【 】是基于小波变换 理论进行的混合有源电力滤波器的谐波检测,但是小波分解算法的缺点是计算量 大且误差显著,提高采样频率使得单位时间内处理数据太多。所以在小波变 换前将采样 数据和窗函数相乘,再有效地滤掉高频分量的同时减少小波分解的层数,选取 窗作为小波分析的辅助窗,将/和相结合进行仿真,可以很好 地提高检测精度。 文献【】将动态独立分量分析算法引入到谐波分析中。由于谐波分析中的观测源仅仅 有一路,因此需要构建虚拟观测量,以达到满足算法运算条件的目的。通过仿真可以看 出此算法能够精确地检测到观测信号中的谐波信号,同时对检测到的谐波信号进行傅里 叶分析可以得到谐波的幅值与频率。所以说,这种算法对谐波进行检测是有效的。但是 由于缺乏先验知识和迭代过程中随机矩阵的不确定性,检测结果会存在一定地误差。 文献【】将经验模式分解应用到有源滤波器的谐波检测中,把谐波电流进行经验模 式分解,得到一系列地固有模态函数,再加上经验模式分解非常完善,不同的频率分量 由不同的固有模态函数来表示,就可以得出基波与各次谐波固有模态函数分量,从而达 绪论 到谐波检测的目的。该方法不存在基函数的选择问题,能够将电力系统谐波自适应地分 离出来,且比瞬时无功功率检测与小波检测具有更好地实时性。但值得注意地是该方法 不适用于平稳信号的处理。 文献【】针对传统时频分析方法对谐波检测不准确问题,提出采用新的时频分析方法 来检测谐波。首先采用小波.融合算法将谐波信号进行降噪处理,再采用小波 .融合算法检测信号的奇异性,提高谐波分析的准确性。通过仿真实验,可以看 出该方法是一种有效地时频分析谐波方法。 文献【】采用小波软阈值对含噪的谐波信号进行降噪处理,接着采用快速傅里叶变换 对去噪的信号进行分析,提取出各次谐波含量与总谐波的失真率,经过小波去噪后的各 次谐波含有率更接近原始信号谐波含有率,小波去噪具有很好地时频局部化特性,在不 丢失有用信号的基础上,有效地滤除信号中的随机噪声,提高了信噪比,能够提高谐波 检测的准确性,所以谐波检测可以采用小波去噪和相结合的方法。 文献【 】提出了采用法进行谐波检测。锁相环对谐波检测有着显著地影响。然而 传统的锁相环没有电压畸变抑制能力,在电压畸变的状态下不可以准确地跟踪所需要的 相位信息,故提出了基于虚拟的有功功率锁相方法,其在畸变电压的状态下可以很快地 跟随电压基波分量的相位与频率,且动态响应快,将其应用到谐波检测方法中能够 准确地检测到谐波电流,这也证实了.谐波检测法与锁相理论的可行性。 电力系统的谐波抑制是改善电能质量、净化电网的一个重要方面。然而谐波抑制方 法众多,繁简不一,效果不同,各具特点,选择哪一种要因地制宜。 文献【 基于无源滤波的谐波电流注入滤波法,基本思想为在整流电路的交流侧的方 波电流中叠加上谐波电流,再对谐波电流进行修正,减少交流侧的谐波电流含量,从而 降低畸变率。通过仿真实验,可以看出对单相整流电路的交流侧进行谐波电流 注入,可以对交流侧的谐波电流进行有效地抑制。 文献提出了一种的大容量无功补偿与谐波抑制的综合系统,利用无源滤波 器和有源电力滤波器的混合结构,无源部分来补偿无功功率,有源部分与无源部分一起 对谐波进行抑制,通过分析综合系统的补偿原理与拓扑结构,提出电压外环和电流内环 的双闭环控制方法,实现谐波抑制和无功补偿,且对无源滤波器与有源滤波器分别采取 有效地保护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ,提高系统的有效性。 文献【提出船舶电力推进系统的组成并对谐波抑制装置进行仿真和研究,分析了各 个组成部分的谐波数学模型,且采用实现内河船舶电力推进系统谐波分析的仿 华北水利水电大学硕士学位论文 真。该仿真有着模块化设计和分层结构的特点,模块化设计可以增强仿真系统的灵活性 与扩展性,分层结构可以减小建模的工作量,该数学模型和仿真系统能够有效地对船舶 电力系统的谐波分布进行模拟,并对船舶电力系统的谐波分布进行计算,谐波抑制装置 可以有效地消除谐波。 文献【】提出了次谐波注入抑制不可控整流电路谐波电流畸变的无源实现方法。利 用接法电容器取代接地变压器作为次谐波注入电路,且利用串联谐振电路提高 次注入电流的发生率。通过分析注入电路抑制谐波电流畸变的基本原理与谐波源的获 得,研究注入电路的基本特性,如最佳注入条件和固定注入电路参数条件下 负载的动态 变化范围等,该方法比无源滤波的谐波抑制效果更好,比有源滤波的结构更简单可靠。 文献【】将自适应信号预测系统的智能性引用到有源滤波系统,使得装置的性能与滤 波补偿效果提高,同时采用构造与仿真控制系统的完整方法,将控制系统的仿 真优化问题变得简单易行。在中,将文件和数字信号处理工具箱与 相结合的方法实现动态仿真,有源滤波系统的性能达到了较为满意的结果;文献【基于 谐波抑制和无功补偿装置,实现了实时检测电网中各项参数的目的。将 芯片作为主控制器,充分利用其数据处理功能,对采集到的数据进行 快速傅里叶变换等运算,在理论的基础上,运用软件进行仿真,模拟装置的投 切补偿效果,通过实验可以表明该装置能够有效的对谐波进行抑制,进行无功补偿,适 宜于各类中低压配电网络,降低了线路损耗,提高了电网的运行质量与稳定性。 文献【】提出基于变压器磁路控制的谐波抑制技术,其是在传统电力变压器上附加控 制绕组,利用控制绕组注入谐波电流,抑制负载绕组产生的谐波,使得变压器原边电流 不包含谐波,消除谐波的过程是在变压器内实现的,能够取得很好地谐波抑 制效果。由 于控制绕组引起的谐波电流可以降低电源中的谐波电流含量,故减少了变压器的负担。 该方法不但电路简单,而且成本较低,还可用于电能质量控制。随着对谐波产生机理和 谐波功率现象的逐步认识,将会得到更多、更为有效的谐波抑制的措施,给人类一个绿 色的供电环境。 本课题基于小波变换的多分辨率分析方法,对电网电流谐波进行了检测,并将基波 信号和谐波信号分离,利用傅里叶变换方法,得到低频部分中稳态谐波的频谱信息;根 据各谐波分量的幅值,计算电网电流畸变率、功率因数以及造成的线路功率损耗,实现 对谐波电流的检测。同时,采用平均电流控制的型,并运用环境 下的 建立仿真模型,对平均电流控制的型进行仿真研究。 绪论 型电路具有减小谐波畸变率,抑制谐波的功能。 .本论文研究的主要内容 随着我国经济的不断发展,电子器件的普遍应用,谐波问题已经显得尤为重要。虽 然我国对谐波的认识与研究已经有了很大的进步,但是由于谐波问题的复杂性与干扰的 严重性,需要对谐波进行更为深入的分析。本文针对由于非线性负载等原因造成谐波含 量增多的现象,提出了一种基于小波变换的谐波检测方法,并对检测到的谐波进行有效 地抑制。论文的主要工作如下: 探讨了谐波的定义、谐波源、谐波的危害与影响、谐波标准,并对国内外的 谐波问题进行了分析。分析傅里叶变换法、瞬时无功功率法、模拟测量法、自适应法和 神经网络法,提出了一种基于小波变换的谐波检测分析方法。 基于小波变换和傅立叶变换等分析方法,进行了谐波电流检测及线路损耗监 测等方面的研究。利用小波变换的多分辨率检测电力系统中的电流的谐波含量的特点, 把含有谐波的电流信号分解出基波信号和谐波信号,达到检测谐波的目的。同时,通过 傅里叶变换得出了分解到各个子带上信号的频谱信息,将仿真得到的电流谐波频谱值应 用到谐波监测中。结果表明,随着电流谐波含量的增加,谐波畸变率和线路损耗增加率 变大。谐波检测为电力系统电能质量的监测以及谐波治理提供了可靠的理论数据。 利用环境下的 建立平均电流控制的型 电路模型,对谐波抑制进行了研究。由仿真结果可以看出,该电路结构简单,减小了谐 波电流畸变率,经过补偿后的波形近似于正弦波,有效地抑制了波形中所掺杂的谐波含 量。 华北水利水电大学硕士学位论文 谐波检测方法 谐波检测方法 .电能质量 加强对电能质量概念的理解,提高对改善电能质量重要性的认识早已成为现代电力 用户的迫切需求。世界各国电力企业已经把电能质量的问题作为电力技术发展的重要研 究内容之一,对电能质量的提高成为了当今电力企业建设国际先进化水平、实施电力系 统不断发展的重要策略。 电能质量不但取决于发电、输电及供电系统本身,还伴随着现代工业的迅速发展, 接入公用电网的半导体换流器和非线性负载也干扰或是降低配电网中的电能质量。 电能质量的下降对电力系统及用电设备造成了严重的影响。电能质量关系到整个电力系 统及设备的安全、经济、稳定和可靠运行,关系到电气环境工程保护劣质的电能引发电 网大面积停电,造成用户生产力的下降,它的社会影响和经济损失是非常严重的。电能 是一种使用最为广泛的能源,其应用的范围决定了国家的发展水平。随着国民经济的不 断发展,电力用户对电能的使用在不断增多。当电力系统以恒定频率与正弦波形,按照 国家的规定向电力用户提供电能才。是理想的状态。在电力系统的三相交流中,其每相的 电压与电流均处于幅值相等且相位相差度的对称状态。因为系统中各元件的参数不 是呈线性或者对称的状态,再加上控制方法不是过于完善、负荷特点不同且其变化具有 随机性以及操作方式、各种各样地故障等,在实际中是不存在这样的理想状态的,因此 就产生了电能质量概念。 电能质量定义为:导致用电设备故障或者不能正常工作的电压、电流或是频率偏差, 其内容涉及电压偏差、频率偏差、供电可靠性、电磁暂态、波形失真、三相 不平衡以及 电压的波动与闪变等。 电能质量有如下特点:首先,它并不是全部由电力企业决定的,甚至有的指标比 如谐波、三相不平衡度、电压的波动与闪变通常是由用户的干扰引起的;其次,如果 供电点和供电时刻不同,电能质量的指标也各不相同,电能质量在时间上和空间上都是 动态变化的。 .谐波的基本概念 谐波是指电压、电流波形发生畸变,主要是由负荷的非线性造成的,随着电力电子 装置的广泛应用和计算机、空调等电器的普及,电网中的谐波含量在不断上升,严重的 影响了电力系统的正常工作,对电气环境造成污染,被公认为电网的一大危害。 华北水利水电大学硕士学位论文 当电压与电流为非线性关系时,波形就会发生畸变。在电力系统中,由于某些设备 的非线性造成谐波的发生。如各种铁芯设备电抗器、变压器等,其铁磁饱和特性是 非线性;各种电弧焊机、炼钢电弧炉等,其电弧电压和电流之间的随机变化呈 现非线性 伏安特性;各种斩波器、变频器和可控整流器等,其在能量转换中都会生成高次谐波。 所以电力系统的主要谐波产生源分为两类: 含电弧与铁磁非线性设备的谐波源; 含半导体非线性元件的谐波源。 谐波源为电力系统的非线性设备与负荷,根据非线性特性对谐波源进行分类【】: 电弧型:各种电弧焊机、炼钢电弧炉等,其电弧电压和电流之间的随机变化呈 现非线性伏安特性; 电磁饱和型:各种铁芯设备电抗器、变压器等,其铁磁饱和特性为非线性; 电子开关型:双向晶闸管和各种交直流换流装置等,在家用电器与冶金、矿山、 化工等大量工矿企业中被广泛地应用,并且在极速发展;对于系统内部,如整流桥与逆 变桥等,其非线性呈交流波形的开关切合与换向特性。 表谐波源的调查结果 .. ?????? 造纸 ???? 化学 ???? 建筑材料 ???? 冶金????机械制造 ?? ?????? 制造业 ?? ?????? 铁路 ???? 公共事业 ?? ?????? 楼宇 ?? ?????? 通信 合计比例% 茬两葺?啊本电气专家公布了一项关于谐波源问题的调查报告,主要是为了 调 查影响用户的最大谐波源。表列出了谐波源的调查结果。查访了家具有代表 性 谐波检测方法 的电力用户,不含谐波源的只有%,最大的谐波源是应用整流装置的用户,其所占比 例达到%,办公和家用电器的用户所占的比例为%,电弧炉与交流电力调整装置的 用户分别为%与%。办公和家用电器的用户其实是由于整流装置造成的谐波。最大的 谐波源为整流器的用户,其所占比例达到%,再加上交流电力调整装置的%,电力 电子装置的用户成为了最大的谐波源,其比例高达%。如果除去占%的不含谐波源 的用户,那么含有谐波源的用户中,用户对电力电子装置的应用所造成的最大谐波源, 其所占的比例达到%。由此可以说明电力电子装置是最显著的谐波源。 .电网谐波电压与谐波电流限制 由于电网中的谐波电压、电流对电气设备与电网本身均会造成严重危害,世界许多 的国家都颁布了对电网谐波进行限制的标准。制订规定与标准主要是为了限制向电网注 入谐波电流,控制谐波电压在允许的范围内,使得电气设备免于受到谐波干扰的影响, 可以正常的运行。 世界各国制定的谐波标准比较接近。我国在年发布的国家标准《电能质量公 用电网谐波》,详细地阐述了关于谐波标准的问题,结合本国的国情,并且汲取国外的 谐波研究的基础上制定的。 对于不同电压等级的电网,谐波电压畸变率的允许值都不相同。随着电压等级的增 高,谐波限制的要求也在越来越高。此外,对偶次的谐波限制比奇次的谐波限制更为严 格。表.为电网的谐波电压限制。 表电网的谐波电压限制 . 电网连接点的所有电力用户向此点流入的谐波电流分量不能超过表。中的允许值 范围。 华北水利水电大学硕士学位论文 表谐波电流允许值 . .谐波的危害及影响 理想的电网电压应是单一固定频率和规定电压幅值的。近些年来,谐波污染的情况 越来越严重,主要是由于使用电子器件的电力用户在逐步增多,危及了电力 系统的安全 性,不仅缩短了电气设备的寿命,加重了能量损耗,还有可能发生用电事故。所以,谐 波问题的出现,不仅污染了电网,还影响了周围的电气环境,对电力系统和通信系统构 成严重的威胁。电网和其他系统受谐波的影响大致为【】: 谐波引起继电保护与自动化装置的误动作,还会影响电气测量仪表的准确性。 谐波造成电网局部的串联谐振和并联谐振,因此放大了谐波含量,甚至会造 成严重的用电事故。 谐波使得电力系统中的元件出现附加的线路损耗,降低电气设备和电能转换 的利用率。同时,由于谐波的注入,使得电力系统的线路过热,而且还有可能引起火灾。 谐波引起电机的过电压和机械振动,还会出现噪声和附加损耗,引起变压器 局部过热;谐波使电缆、电感等电气设备过热,缩短使用寿命,加快绝缘老化,损坏电 气设备。所以说,谐波使得电力系统中的电气设备不能正常运行。 谐波会危及相近的通信系统,使其不能正常运行,轻则降低通信系统的质量: 重则引起信息丢失。 .谐波检测分析方法 随着电力系统发展,对谐波测量的要求也在越来越高。而且现代计算机技术的迅速 谐波检测方法 发展,也为谐波测量提高精度与实时性提供了有利的条件。当前谐波研究的 热点主要有 以下几个方面【.: 硬件设施的速度、精度与可靠性的迅速发展,为实现实时控制与高性能算法 奠定了理论基础。研究分析电能质量测量仪与多通道谐波分析仪已经作为发 展的热门问 题。 谐波的分析、测量以及谐波治理互相配合,实现测量和控制的集成化和一体 化已经成为了研究的新趋势。 由慢变的、确定的谐波测量转化为随机的快速动态、跟踪暂态谐波,保证电 力系统的正常工作。 谐波测量的方法由简单的函数分析到繁杂的数值分析与信号处理的领域。对 于暂态的波形畸变,改进其测量方法,已经成为谐波研究的热点。 对功率因数的理论进行重新定义,将其应用在谐波测量中,创造一种新的谐 波测量方法,使得在实时性与精度上取得重大突破。 分析谐波和功率变化率的测量方法,对谐波分析和治理是一种非常有用的工 具。 当前的谐波研究方向朝着以下几个方面发展【: 抑制谐波的方法,深入研究有源与无源电力滤波器的混合使用方式。混合式 滤波器可以增强传统式滤波器的性能、减少治理投资,为未来谐波抑制的发 展方向。 重新定义电力系统中的某些参数,对传统的测量方法进行改进,完善电能质 量的的测量与评估。 提出了新型的计算方法。 对特殊的非线性负载做更为详细地研究,比如谐波对交流电机的噪声和振动 的影响等。 电力系统谐波问题涉及很多内容,包含谐波的检测分析、谐波补偿抑制、谐波源分 析和在谐波状态下分析与测量各种电气量等。然而谐波问题的关键为谐波检测。近年来, 谐波检测方法主要有瞬时无功功率法、模拟测量法、神经网络法、自适应法、傅里叶变 换法和小波变换法等【】。 ..瞬时无功功率法 年,.等提出了瞬时无功功率理论,这种理论定义了瞬时实功率与华北水利水电大学硕士学位论文 瞬时虚功率,后来又补充定义了瞬时有功电流。与瞬时无功电流,等物理量【】。瞬时 无功功率的概念是在瞬时值的基础上定义的,它不但适用于正弦波,同时也适用于非正 弦波与任何过渡过程的情况。并根据上述结论,提出了新的检测方法:法和。.乇法。 如果电压对称且无畸变,这两种方法均能准确地测量对称的三相三线制电路 的谐波值, 而且各电流分量的测量电路简单,有着良好的实时性,延时最多不超过一个电源周期。 与 参 当电源电压畸变或者电网电压不对称时,由于。.,,法运算方式只读取 与运算,畸变电压的谐波含量在运算中不出现,所以此时它能准确检测出谐波电流,然 而使用法测量电网电压畸变时的谐波会存在很大误差。因而。‘法的使用范围比 法更为广泛。此种方法检测三相电路谐波电流的原理图如下所示: 法运算方式 此检测方法的原理图如图.所示。图中上标“.表示矩阵的逆。 图 法的原理图? . 此方法根据定义计算出、,经过低通滤波器得出、的直流含量万、一。 当电网电压波形没有畸变时,是基波的有功电压和电流所引起的,石是基波的无功电 压和电流所引起的。所以由、石就可以求解出被检测的电流乇、、的基波含量、 吁、, 锄 ? 弦?, 协 ? 铴吲阡扣朋圈 将、,、匆和‘、如、‘相减,就可以求出‘、、的谐波含量如、锄、“。 谐波检测方法 将有源电力滤波器一起应用到补偿谐波与无功时,既要检测出补偿对象中的 无功电 流,又要检测出谐波。在此时只要切断图.中计算的通道就行。这时, 就可求 解出被检测的电流‘、‘、‘的基波有功含量切、切、切为: ? . ? 铴曷网 把切、切、切和‘、‘、‘进行相减,就可以求出‘、/、的谐波含量与基波无 功含量之和‘、‰、乙。下标中的为由检测电路得到的检测结果。 由于采用来求取、,所以当被检测的电流出现变化时,需要经过一定的时 间才可以得出准确地、,使得检测的结果具有特定的时延。然而当只是对无 功电流 进行检测时,就不再需要,而只需要直接对进行反变换就可以求解出无功电 流的 含量,这样就没有延时了,得出的无功电流的计算公式如下所示: 口 ? 一门『 . 幻 ? %‰ ‘法运算方式 ‘法运算方式的原理如图所示。在此图中 咖刎 一 研 . 哟泐 一 ? 研 此方法需要用到与相电压%同一相位的正弦波信号和相应的余弦信号 一缈/,它们是由锁相环与正弦信号、余弦信号的发生电路得出的。由定义可 计算出,,、‘,经过低通滤波器求出,,、‘的直流含量‘、‘。这里的‘、‘是 由、 葡、芬产生的,故由、就可求出、、匆,从而求出乙、‰、乙。 华北水利水电大学硕士学位论文 图‘‘运算方式的原理图 。 与、法相似,当检测无功电流与谐波电流之和时,只要切断图.中计算屯的通 道。如果只需要检测出无功电流时,只需要对,.使用反变换。 瞬时无功功率理论解决谐波与无功功率的瞬时检测问题,促进了谐波的治理与无功 补偿装置的研发。但是此方法也存在一些不足之处,比如仅能检测出基波成分从而得出 了总谐波,但是对任意次谐波的检测不能满足实际要求;在三相电压畸变的情况下,检 测精度也受到了一定的影响。 ..模拟测量法 模拟测量法为一种比较原始的谐波测量方法,图.为模拟谐波测量法原理图,将 待测信号通过输入放大器注入并行排列的带通滤波器,其中彳,石,...,为恒定值,而且 彳厶?。滤波之后的各个频率信号传送到多路显示器中,显示出被测信号所包 含的谐波频率和幅值。 该电路的原理和电路构成简单,造价也低,能够滤除一些固定频率的谐波,但是它 , 的实时性差,误差大,在频率变化时更加显著。此外,这种方法对电子器件非常敏感 电子器件参数随着环境变化而变化,就会引起滤波器中心频率的变化,这对检测效果非 常敏感,难以得到理想的幅频与相频特性。而且此方法检测出的谐波电流包 含较多基本 分量,还会引起有源滤波器不必要的损耗。 谐波检测方法 一四燃卜 输 多 入 路 删信号卜 放 显 一燃亿燃卜 ?。 大 不 器 器 一燃 燃卜 图模拟谐波测量法原理图 . ..神经网络法 人工神经网络【】有着分布并行处理、自适应学习、非线性映射和鲁棒容错 性等特点, 已广泛应用至模式识别、智能控制、信号处理等领域。谐波检测过程可看作 是对电网信 号进行信号处理的过程,最近人们又将模型应用于谐波检测。 前向神经网络、自组织神经网络、神经网络和概率神经网络为较为成功的 模型。前向神经网络可以较好地达到非线性映射,使它在非线性系统的辨识与控制中得 到应用。特别在数据本身需要决定的模式特征不明确,数据模糊或者含有较多噪声、非 线性等情况下,运用人工神经网络用作函数逼近有着很多的优点,而且能够克服其他算 法适应性差、计算量大、对模型和数据的要求特别高等方面的缺点。该算法比较成熟, 网络结构也简单,应用范围非常广泛。 把神经网络运用于谐波测量中,主要包含样本的确定、网络构建与计算方法的选取。 文献【】采用基于多层前向神经网络的谐波检测方法,仿真结果表明只需有充分的合适训 练样本,对谐波进行检测就能够有很高的精度。此方法能够运用到动态补偿与实时检测 中。 文献【】把自适应消噪技术与神经网络理论相结合,将神经元构造成基于的自 适应谐波与无功电流的检测电路,输入信号为矩阵。此外,采用算法调 节权值与阈值,构建相应的测量电路。结果表明,该方法能够很好地提高自适 应性。 如果将一个包含高次谐波的周期信号用下式表示: ? % ?华北水利水电大学硕士学位论文 将上式.进一步表示为: 卅 ? %,‖,驴 ? , 式中,为基频,为谐波的次数,为第次谐波的幅度,‖,为第次谐波的相位。 图.是传统的作为分析研究谐波含量的整数倍的基函数参数固定的神经网络 图。 \一 ?? //\\~ ,,仑 / 『 一 / 图神经网络图 . 如果次为谐波最大值,那么该图中的神经?基函数为: ?办,识,,?,识州,,九】 【,‖,万,?.,,万】 . 吮‘间的差值 把原始信号中的‘时刻的采样信号,,和神经元输出值耍,:? 岛当作控制精度的条件,则训练以后的权向量为: 缈劬,鸱,%,..‘,吐, ., ,..., 。, 弘/。 式中,基波幅度为:厅焉,市耳位为:”绷留》其他各个谐波的幅度与 相位的值以此类推。 ..自适应谐波检测法 自适应谐波检测法起源于世纪,通过计算机的软件编程来实现,也可采用硬 件 电路的设计来完成。近些年来对自适应谐波检测法的分析和研究逐步广泛与 深入【。谐波检测方法 图自适应谐波检测法原理图.图中,门为原始输入信号的采样值;为电源基波 电压,信号的采样值; 船,理为由锁相环输出电源基波电压材,的标准正弦与余弦信号的采样值 参考输入信号;,,为五甩,恐胛的权值;,聆为自适应滤波器的输 出信号与误差反馈信号。 如果锁相环电路的输出正弦波频率为,时间间隔为丁,则 一 ? 玎 如果用缈 ,?,门胛’,则 ? 。刀 一 组成自适应滤波谐波检测的算法很多种,以最小均方自适应算法的应用最 为广泛。此方法简单且易于实现,鲁棒性很好。依据最小均方差的准则,滤波 器的最佳 权系数国’使得它具有最小的均方差值,就可以得到目标函数 以。将瞬时输出 的误差功率的梯度国胛得到权值缈的迭代公式为: ?一 ? 式中,允为步长因子。 在自适应谐波检测法中,将门的电流基波含量,,作为期望信号,所有谐波电 流 华北水利水电大学硕士学位论文 的总和‘门作为输入的干扰源。误差反馈信号控制迭代过程,国跟随缈’的变化, 这时胛也跟随,,的变化,即门在幅值与相位上逼近,,。然后将此信号从负载 侧的电流中扣除,最后就得到了所有高次谐波之和,即的补偿指令信号。上述为 自适应谐波检测的基本原理。此方法的优点为对电网电压畸变、电网参数变化和频偏都 有很好地自适应能力,但是动态响应较慢。 ..基于傅里叶变换的谐波检测方法 ...傅里叶变换的原理 将时域内的函数分解为不同频率波形的叠加,并对该函数实行时频变换。同时,选 择简单的函数代替较为复杂的函数。将函数的空间正交分解,对应的系数作为坐标,就 组成了函数和序列的相应关系。需要注意的是:傅里叶积分是在傅氏积分的基础上延伸 的,除了需满足狄里赫利条件以外,还要满足积分域上的绝对可积。 将函数厂用复指数函数的级数或积分形式表示为: 厂】 叫驯 上式将函数转化为频率域的函数。 傅里叶变换的逆变换为: 彩缈 ?】芴 式中,为原函数,为像函数,傅里叶变换对包括原函数与像函数。 ...傅里叶变换的性质 线性 假如/、五,的傅里叶变换分别为缈、国,口、‖均为常数,则: ‖缈 由此可知,经过函数线性组合后的傅里叶变换与各个函数的傅里叶变换的线 性组合 是相等的,而且它的逆傅里叶变换也是有着相似的性质。 位移 假如函数的傅里叶变换为,则: 。酬。 ?, 谐波检测方法 由此可知,/沿着轴左、右移动时刻的傅里叶变换与时间函数厂的傅里叶 变换和玎叫。的乘积是相等的。 频移 假如胛的傅里叶变换是尼,把七移位,则的傅里叶逆变换为 “幅 如果把,?代入傅里叶变换的公式中,则: 口 /? ,?,面,?,.?. ?。, 七一。善 胛,?.百?.枷薹行,/鲁”’,,一』鲁切 由此可知,傅里叶变换的原函数为门,等肼,则门等蔚寸?的傅里叶逆变 换。 卷积 ? 函数办、仍在时间域和频率域内的卷积相等,则?的傅里叶变换是 。 中的内部函数,其函数假如这两个序列均是从玎开始的,采用 ,完成信号和信号的卷积。如果向量的长度是,向量的长 度是,那么向量的长度是一。 ...快速傅里叶变换 将离散傅里叶变换的频域离散化为有限长序列。但是由于计算量过于繁杂, 难于实时地对问题进行处理,所以提出了快速傅里叶变换。其基本思想为: 连续 地将的长序列分解为的几个短序列,再选取旋转因子的对称性与周期性来减 少运算的次数。可以分为两类,分别为频域抽取法与时域抽取法。 当采用计算机对信号序列进行傅里叶变换时,其正变换为: ?一 ? 尼?,咄,,?..,一 反变换为: 华北水利水电大学硕士学位论文 . ,寺?尼睇‘,,,,,...,?一 』 其中,、和%川州?可以为实数,也可以为复数。从公式中可看出, 经过次复数的乘法计算和.次复数的加法计算才能够计算出一个抽样序列。 可以分为两类,分别为频域抽取法与时域抽取法。频域抽取法是按照偶奇分排 频域信号序列,时域抽取法是按照偶奇分排时域信号序列。他们都采用了耽‘的两个特 点,一个为孵州”’时‘的对称性;另一个为嘴呒即?’峨“?’”的周期性,这 样就可以把运算过程分成几小步来进行,提高了计算的速度。 ...改进傅里叶变换的方法 基于傅里叶变换‘的谐波检测方法是现在应用最为广泛的。变换方法是由过去的离 散傅里叶变换转化为如今的快速傅里叶变换。基于傅里叶变换的谐波检测方法精度高, 功能也多,使用较为方便,但是容易存在频谱泄露的现象,误差特别大。 基于傅里叶变换法的谐波检测的采样次数为: :一:丝、 : 式中,为信号的周期,为采样周期,工为信号的频率,为正整数。 采样过程中,当信号频率与采样频率不同步时,基于傅里叶变换的谐波检测方法就 会出现频谱泄漏效应与栅栏效应,影响了求解参数的准确性,特别是由于相位所引起的 误差会很大,不能达到测量精度的标准,所以需要对该方法的不足提出改进措施。 减小频谱泄漏的方法主要为种: 选取加窗插值法修正快速傅里叶法。此方法可以减少泄漏,对谐波间的噪声、 杂波和干扰的影响进行很好地抑制,可以精确地测量各个谐波电压与电流的幅度与相 位。窗函数的选取主要为海宁窗、矩形窗和布莱克曼窗一哈里斯窗等。将检测运用到实 际中,则选择海宁窗插值法和矩形窗插值法,这两种方法的检测效果比较好。 修正理想采样频率法。此方法是按照被测量的频率,修正每一个采样点,得 出较为理想的采样值。此种算法的计算量不是太大,相对于加窗插值法具有较好的实时 性,但是减少的泄漏只能达到%。 选取数字式锁相器让信号频率与采样频率保持同步。此方法选取相位比较器 将电压信号的频率和相位与锁相环的同步反馈信号实行相位比较,当失步时,相位比较 谐波检测方法 器的输出和上述二者的相位差与频率差相关的电压,经过滤波后进行控制并且变换压控 振荡器频率,当输入频率与反馈信号的频率可以同步的时候结束。一经锁定,则跟随着 输入信号的频率不断变化,使二者的频率同步,输出同步信号与控制信号采样和加窗函 数。 ..基于小波变换的谐波检测方法 ...小波的概述 小波为特别小的波形。“小”指它的衰减性,“波”指它具有波动性,其幅值是一种 正负交叉的振荡形式。相对于傅里叶变换,小波变换为时频的局部化分析,对函数依次 实行多尺度细分,达到在高频部分时间的细分,在低频部分频率的细分,可以满足对时 频信号的分析要求。小波分析的理论与应用相结合,已经在信号处理中取得了显著的成 就。 小波分析‘是本世纪数学研究成果中的代表作之一。基于小波分析的良好特性,近 些年来一些文献将小波分析应用到电力设备的状态监测、故障诊断、电流系 统暂态稳态、 谐波检测、电力系统短期负荷预测等方面,由此可以看出小波变换在电力系统有着很好 的应用前景。如今对小波变换的应用研究主要为: 基于小波变换的多分辨率分析。采用多分辨率分析,在不同的分辨率上分解 信号,信号则展开成小波函数与尺度函数的级数形式。将信号?应用多分辨 率的分解公式为: ., ? 巾?勺,。办,。??,。/,式中,为分解次数的总数,小为尺度函数的系数,,。为小波函数的系数。谐波信号 可以分解为各种频率的信号,其中基波用低频部分来表示,各次谐波用高频部分来表示, 谐波检测用软件编程来实现,对谐波进行动态跟踪。 选取小波包实现对谐波的检测。由于小波包有着逐次细分频率空间的特点, 将原始信号分解至更多的频段上,可以使得频率分辨率提高,同时高次谐波映射至不同 尺度则会出现奇异高次谐波的特点。 对含有谐波信号进行正交小波分解。构造一个正交小波基,把信号中的不同 频率的分量逐次分解到相应的频带上,实现对该信号的谐波检测。但由于要分解的频率 分量不一定在相应频带中心,再加上小波在时频域紧支撑程度的差别,相邻 频带上会有 华北水利水电大学硕士学位论文 频谱泄漏的现象。此外,由于不同小波基函数在时频域的表现不同,相同问题用不同的 小波基函数进行变换,结果的差值很大,怎样选取或是构造适合于谐波检测的小波基需 要进一步研究。 采用复小波变换相位信息分析谐波。有的学者提出采用一类快速衰减的递归 复小波式.,再对离散小波变换加以变换,利用变换的位移性质,得出一种改 进递归小波变换。此方法能准确检测出信号中包含的整数次与非整数次谐波,抑制了频 谱泄漏的现象,有效地进行了谐波检测。 沼, 死一孚一半一争, 采用组合小波检测谐波。虽然单一小波有着带通滤波特点,但它的频带较窄, 仅仅适用于窄带滤波。假如要得到某一频段的频谱,则需设计出具有带通滤波特点的组 合小波。将多个小波组合的方法可以实现带通特点,克服了单波频带较窄的不足, 它可以准确地检测出谐波的频率成分,而且具有很好地时频特性,可以很好地定位暂态 信号。 小波变换和其他方法相结合。在小波变换的基础上,将瞬时无功功率理论或 傅里叶变换相结合,提出一种新的谐波检测的改进方法。此方法能够很好地 结合它们的 优点,更好地检测各次谐波与无功分量。 由上述可知,将小波变换应用到谐波检测是电力研究者探索的新方向。该方 法不但 能够使谐波检测更加精确,还具有很好地发展前景。 ...小波函数 小波 函数是最早的一个有着紧支撑的正交小波基函数,而且是一个最简单的函 数。 它类似于阶梯函数,是非连续的小波。函数可用下式表示: .??土 , 沙 一?,圭??? ,其他 尺度函数的表达式为: 谐波检测方法 . 斗吕,巍 小波 创建了小波函数,其中被称为小波,其他的小波并 没有确定的表达式,但是可以确定转换函数的平方模。小波为紧支撑标准的正交小 波,该小波函数对离散小波有着重要的作用。 如果尸?‖。“‘,式中的掣。础是二项式系数,则 像 缈秒争 其中,去?铲咖。 二 函数在大多数情况下没有对称性,针对正交小波函数,具有非常显著的不对称 性。它的正则性将伴随的增大而增大,并且其具有正交性。值得注意的是,中的 是指序列。由于小波具有正交性、连续性和紧支撑标准,而且还有较好的光滑性, 提高了滤波的效果,所以本文采用该小波函数进行谐波检测。 小波 函数可以用下式表示: ? /?『‘。一了 由于它与墨西哥帽的截面比较相像,故有时把函数称作墨西哥帽函数。墨西 哥帽函数在时频域都有着较好的局部化特性,而且满足: ? 出 但是函数的尺度函数是不存在的,因此其不具备正交性。 .小波 .小波有着良好的线性相位性,在信号和图像重构中得到了广泛的应用, 常见的方法为选取一个函数对其分解,再用其他的小波函数对其重构。假如选用相同的 滤波器来实现分解和重构,则将出现对称性与重构精确性之间的矛盾,而选择两个函数, 则很好地解决了这种情况。 假如函数用作信号的重构,则沙用作信号的分解,分解与重构的关系表示为: 华北水利水电大学硕士学位论文 . 瓦瓦 ?劢肚 此外,‖和少有着二元性的关系,根据‖函数的特点,在分解信号的过程中可以获 得较好的分解特性,然而根据‖函数的特点,在重构信号的过程中可以获得较好的重构 特点。 .小波 的工具箱中是不存在.小波的,但是它是一种比较常用的小波 函数。该小波函数包含两种形式,一种是具有明确的正交性,一种是不具有明 确的正交 性。在的情况下,尺度函数为线性样条函数;在的情况下,尺度函数为有限 支撑的样条函数。大多数情况下,一个次样条小波的尺度函数: :一 四: 缈, 在是奇数的情况下,;在是偶数的情况下,。该小波函数的双尺度 关系:删?口肌《?一 』一 / . 矽 彳 训。?口肌矽?一 在是奇数的情况下,?是反对称的,;在是偶数的情况下,矽是对称的, /。 ...信号检测过程 基于小波变换对信号进行检测的过程如下所示: 信号的分解 采用小波变换的多分辨率分析将信号分解为低频部分,与高频部分。在分解 过程 中,低频部分,中丢失的信息需要高频部分来获取。在下一次分解过程中,再将,分 解为低频部分口:与高频部分吐,低频部分:中丢失的信息需要高频部分吐来获取,以 此类推,就能够进行多层次的分解。 。/州谐波检测方法 信号的处理 针对不同的研究问题,对分解后的小波系数进行处理。如信号去噪、信号滤波和信 号压缩等。假如只需要低频部分,就可以将高频系数设定为零。 信号的重构 将处理后的小波系数进行重构得出各个谐波的波形。本文将小波分解后的各层高频 系数和低频系数分别进行一维小波重构。 。本章小结 本章介绍了电能质量的定义和特点,详细说明了电能质量的参数??谐波,阐述了 谐波的定义、谐波的危害及影响、谐波源和谐波的检测分析方法