基于傅里叶变换的电网谐波分析 学位论文Word格式.docx
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关键字：
傅里叶变换，谐波检测
，同步采样
analysisofpowernetworkbasedonFouriertransform
Abstract
Electricityisanimportantenergyindispensabletomodernsociety.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyinthepowersystemharmonicharmandinfluenceisalsomoreandmore.Thispaperclassifiedandanalyzedtheexistingharmonicdetectionmethodofrealtimeandaccuracy,speed,delay,pointedoutthatbasedonFouriertransformmethodcandetecttheharmonicandcanbeusedforspectrumanalysis.Studiesontheproblemofharmoniccontentisverywide,includingthedistortionofwaveformanalysismethod,harmonicanalysis,harmonicmeasurementandinthecaseofharmonicsourceforallkindsofelectricparametersmeasurement,powergridharmonicpowerflowcalculation,compensationandharmonicsuppression,harmoniclimits,etc.Theharmonicmeasurementisanimportantbranchoftheharmonicproblems,andisthestartingpointoftheresearchandanalysistheharmonicproblemandmainbasis.Becausetheharmonichasinherentnonlinearity,randomness,distribution,nonstationarityandthecomplexityofthefactorsaffectingthecharacteristics,hardtoaccuratemeasuringofharmonic,thereforemanyscholarsconductextensiveresearchproblemsofharmonicmeasurement,harmonicmeasurementmethodsappeared.Inthispaper,inaccordancewiththerelevantinformationonharmonicmeasurementmethodsweresummarized.
Keywords:
Fouriertransform,harmonicdetection,synchronoussampling
目录
1一级标题1
1.1二级标题1
1.1.1三级标题1
结论2
致谢3
参考文献4
1一级标题
正文
1.1二级标题
1.1.1三级标题
绪论
1.1课题的研究背景
电网容量越来越大，结构越来越复杂，很多的非线性负载使得电力系统中的谐波污染越发难以治理，谐波的产生会降低电能的生产利用效率；
使电气设备过热、产生振动和噪声，老化绝缘，缩短其寿命，还可能引起电力系统局部产生串并联谐振，使谐波含量越来越大，烧毁电容器设备。
电网中谐波源的类型很多、分布广，应该在治理谐波前，对各次谐波的分布、含量和其发生的起止时刻能够把握，则可区分对谐波治理，将降低治理难度。
谐波检测是解决谐波问题的基础，而谐波检测精度的高低以及动态响应速度的快慢则取决于采用的谐波检测方法的优劣。
谐波检测方法有模拟滤波器法、基于瞬时无功功率的谐波检测法、基于傅里叶变换的谐波检测法以及基于有源滤波的谐波检测法等几种方法。
模拟滤波器法参数要求较高，实时性差，低精度；
基于瞬时无功功率的检测法检测结果误差大，单相电路的检测算法很复杂，实现不容易；
傅里叶变换及其改进方法的检测法存在频谱泄漏现象和柵栏效应，并且没办法定位暂态信号的发生、结束的时间[7]
；
基于有源滤波的检测法是研究的热点，但有源滤波对低频段进行分解，造成高频段分辨率较低，使高次谐波检测精度降低。
但是有源滤波提供了一种精细的分解方式，有源滤波不仅仅对低频段进行分解，还可以对高频度进行一样尺度的分解，如此使信号分析的分辨率提高，为信号的分析提供了信号特征。
即使小波变换解决了高频段进行高分辨率分析的问题，但是在实际中我们多数情况下只关注某一个高频度，或者某一些高频段，并不是全部的高频段，而有源滤波分析对所有的高频段进行高分辨率分析，很显然是加大了运算量，造成识别定位速度慢，信号检测的实时性大打折扣。
本文提出了一种基于有源滤波器和FFT综合谐波检测方法，先采用FFT对信号进行运算得到信号的频率成分，选定需要分析的频段。
然后，运用有源滤波器对选定的频段进行分解与重构，得到各次谐波分量以及暂态谐波起止时刻，从而实现对电力系统谐波信号的识别与定位。
运用该方法分别对稳态谐波信号和暂态谐波信号进行仿真分析，将得到的仿真结果与常用的谐波检测方法进行比较，验证本方法对谐波信号检测的实时性和有效性。
1.2选题的目的和意义
谐波是对周期性的交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率大于1的整数倍分量。
在电力系统中，通常是以正弦波方式进行供电的，这不但给电力系统的分析设计带来方便，而且使系统及用电设备的运作处于最佳状态。
然而谐波的存在却使电压、电流的波形产生了畸变。
电网中谐波产生的原因主要有:
（1）电网本身存在着周期性的非正弦独立电源，这些电源注入线性时不变系统后，输入的畸变直接造成了输出的畸变。
（2）工频电压或电流直接作用于非线性负载，产生倍频谐波分量。
（3）电力系统时变负载的作用产生奇数次、偶数次、非整数次的谐波，甚至会使工频基波消失。
电网中谐波的存在对于电力和信号有很大的影响，它使得旋转电机等附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；
谐波谐振过压，造成电气元件及设备的故障与损坏；
会造成电能计量错误；
同时对通信系统产生电磁干扰，使电能质量下降；
以及危害到功率处理器自身的正常运行。
谐波问题涉及面很广,包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准,谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。
谐波测量是谐波问题中的一个重要分支,也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。
由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征,因此难以对谐波进行准确测量,为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。
最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的,该检测方法的优点是电路结构简单,造价低,输出阻抗低,品质因素易于控制,但该方法也有许多缺点:
如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感、受外界环境影响较大、难以获得理想的幅频和相频特性,当电网频率发生波动时,不仅影响检测精度,而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量,要求有源补偿器的容量大,运行损耗也大。
基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法,它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成,使用此方法测量谐波,精度较高,功能较多,使用方便。
其缺点是需要一定时间的电流值,且需进行2次变换,计算量大,计算时间长,从而使得检测时间较长,检测结果实时性较差,而且在采样过程中,当信号频率和采样频率不一致时,使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应,使计算出的信号参数（即频率、幅值和相位）不准确,尤其是相位的误差很大,无法满足测量精度的要求,必须对算法进行改进。
其中对于栅栏效应,我们只需增加采样频率即可满足检测精度要求,在下一节主要讨论由于信号频率和采样频率不同步而产生的频谱泄漏问题。
因此，分析和抑制电网谐波是改善电能的一个非常重要的方面。
1.3国内外研究现状及发展趋势
1.3.1国内外研究状况
早在19世纪末，当交流电以一种新兴的动力形式出现时，人们就发现了电压、电流的畸变问题，并研究如何才能使畸变限制在可接受的范围内。
而法国数学家傅里叶的工作则奠定了谐波计算的良好基础。
至于电力系统的谐波问题则是在20世纪20年代和30年代才引起了人们的广泛注意。
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。
世界各国也都对谐波问题予以充分的关注。
谐波分析包括谐波源分析和电力系统，电力系统谐波分析是以电力系统为对象，当系统中出现一个或多个谐波时，就要分析和计算系统中各处的谐波电压和谐波电流的分布情况，谐波的实际测量结果是谐波问题研究的重要依据，也常常是研究谐波分析问题的出发点。
1.3.2发展趋势
在电力系统中谐波检测具有重要的地位和作用，根据电力系统谐波检测的基本要求，对国内外谐波测量的方法进行分析和评述，指出在非同步采样条件下实现非线性电路动态谐波分析与谐波电能计量的新方法是电力系统谐波测量技术发展的新要求。
谐波测量、谐波分析和谐波治理相互结合与配合，测量与控制集成化、一体化、智能化以及在线谐波测量已成为谐波研究新趋势。
1.4电力系统谐波分析简介
随着非线性负荷的普遍增加，电力系统中的谐波成分也日趋增多，严重影响着用电设备的效率和安全运行，严重时甚至会引起事故。
同时，精密制造业对各种微电子装置的广泛应用，也使得对电能质量要求的显著提高。
所以，对于电力谐波的检测是解决其他谐波问题的基础，对于有效抑制谐波具有非常重要的意义。
1.4.1谐波的概念
谐波
（harmonic
wave），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。
1.4.2谐波来源
一是发电源质量不高产生谐波发电机由于在生产难以实现绝对对称的三相绕组，其核心是很难做到绝对均匀和一些其他的原因，多少功率会产生一定的谐波，但一般很少。
二是输配电系统产生谐波传输和分配系统产生电力变压器，变压器铁心的非线性由于饱和磁化曲线的谐波，考虑到经济耦合变压器的设计，它的选择对饱和磁化曲线段附近的磁通密度，从而使磁化电流波形因此尖顶是含有奇次谐波。
它的大小和磁路的结构形式，饱和的相关度的核心。
该变压器点的核心更远离线性，谐波电流越大，饱和度更高的地方的额定电流的高达0.5％的3次谐波电流。
三是用电设备产生的谐波晶闸管整流设备。
因为在许多方面SCR电力机车，铝电池，充电设备，开关电源得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量谐波。
我们知道，使用相移控制的可控硅整流装置中，从电网切去正弦波吸收，因而留下给电网是正弦波的缺角的另一部分，显然它含有大量谐波的左侧部分。
如果整流装置是一个单相整流电路，在包含奇次谐波电流电感性负载的情况下，其中有30％第三次谐波含量可以达基波;
并且当它连接到包含奇次谐波电压，其谐波含量随着电容值的增加的电容负载。
如果三相全控整流桥6脉冲整流器，变压器初级侧和供给线包含比奇次谐波电流和五倍;
如果在12脉冲整流器，仍有比奇次谐波电流和11倍以上。
统计数据显示：
由整流单元产生的谐占了近40％的谐波，这是谐波的最大来源。
从所述电气设备的电力系统的谐波，也就是从发电设备和电力设备的话。
由于由发电机的转子产生的磁场不能完美的正弦波，电压波形发生器的问题不能是有点变形正弦波。
目前，中国的应用生成器有两大类：
隐极机和凸极机。
用于发电机组，用于水力发电凸极机隐藏立杆机。
对于高次谐波成分，隐藏磁极电机比凸极机，但与投资在技术进步，可控硅，IGBT电子励磁装置，使该发生器的谐波分量增加了。
当终端电压低于额定电压的10％以上的高，电动机的磁饱和，将显著增加的三次谐波的电压。
另外，在变压器电源侧电压超过额定电压的10％以上，在第三谐波也将显著增加二次电压。
因为电网电压偏移±
7％或更低，发电，变电设备产生的谐波分量相对较小，低于国家评估标准多，所以发电，变电设备不是的电网电压波形方面的主要作用质量矛盾。
1.4.3谐波危害
（1）谐波对供配电线路产生的危害。
电力系统中的电力谐波会使电网中的电压和电流发生变化。
民用配电系统中的中性线会产生大量奇次谐波。
在三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中线上会产生叠加，导致中线上的电流值存在超过相线上电流的可能。
（2）谐波对电力设备的危害。
当谐波作用于电容器、电缆等电力设备时，会使电容器的功耗增加，温度升高，绝缘老化甚至损坏。
电缆中在一定数值下电容与电感都有发生谐振的可能。
另外，由于谐波频率较高，趋肤效应则越明显，使得交流电阻变大，通过的电流变小。
对于一些低压开关设备，由于发热会使配电断路器产生误动作。
谐波危害十分严重。
谐波电能生产，输送和利用效率降低，从而使电气设备，振动和噪声，以及绝缘老化过热和缩短寿命，甚至失效或烧毁。
电力系统的谐波可引起局部并联谐振或串联谐振，从而使扩增的谐波含量，造成电容器等设备毁坏。
谐波还可引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量混乱。
外部电源系统，谐波通信设备和电子设备会产生严重的干扰。
对公用电网谐波和其他系统的危害大致有以下几个方面：
（1）提高电力企业的经营成本。
（2）因为谐波而不治不是自然消除，这样大量的谐波电压和电流的漂移而引起累积在网格叠加线路损耗增加，从过热动力设备，从而增加了电的运行费用，增加开支的电力。
（3）降低电源的可靠性。
（4）在许多情况下，谐波电压正弦波使较尖，不仅导致磁滞和涡流损耗变压器，电容器以及其他电气设备的增加，并且绝缘材料经受电应力增大。
谐波电流可以使变压器的铜耗的增加，所以，变压器在严重谐波负载会产生局部过热，噪音增大，从而加速绝缘的老化，大大减少了变压器，电动机的使用寿命，减少供电可靠性，极断电可能造成在生产过程中造成严重后果。
（5）包含大量的谐波源（频率或整流设备）和功率电容器，变压器，电缆，电机等的负载，这些电设备在焊剂常常，可以很容易地形成一个串联或并联谐振的条件。
当电网参数与不利的，在一定的频率，谐波振荡的形成，过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如果不容易补救导致事故的输电和配电的发生。
导致设备无法正常工作发电机，电动机，由于在定子绕组和铁心转子电路中的谐波电流或谐波电压发生额外的损失，从而降低了产生和电气设备的传输效率的旋转，更严重的是容易谐波振荡的涡轮发电机以产生转矩冲击可引起机械共振，从而导致变形和产生的汽轮机叶片疲劳循环，导致设备不正常工作。
（6）自动保护装置，以保证电网的安全运行具有非常重要的作用。
但是，因为有很多的谐波，容易使各种类型的保护和自动装置，用于生成网格误动或拒动，尤其是在广泛使用的微机保护，综合自动化装置的出色表现，引起区域（厂）电网崩溃，造成大面积停电等事故。
（7）谐波使测量仪器，测量设备错误，无法正确指导和测量（测量仪器误差主要体现在米）。
当断路器的电流中断能力的断路器的高次谐波含量会大大降低，从而引起电弧重燃，短路，或断路器爆炸。
（8）由于长期存在，电机等设备的共振波的操作增加了振动，使生产失误增多，减少加工精度的产品，降低产品质量。
（9）影响通讯系统的正常工作。
（10）当传输线和通讯线平行或接近时，由于电磁感应之间的静电感应，形成电场耦合和磁场耦合，高次谐波成分会产生听得见的干扰的通信系统中，从而降低了信号传输质量，正常的信号传输损伤，不仅影响通话的清晰度，严重威胁时，通信设备和人身安全。
（11）谐波将与相邻的通信系统中，光噪声，低级通信质量造成干扰;
重量损失导致的滞留，所以该通信系统不工作。
对电网的危害由以下几个方面：
1.4.4谐波对电力电容器的影响
当非线性功率负载的电力分配系统的比重较大，当输入并联电容器组，一方面由于电容器组的谐波阻抗小，高次谐波电流注入电容大时，电容器的过载，并严重影响其使用寿命，另一方面，当电容器组和谐波系统等效电感相等，谐波谐振的电容发生，造成严重的电容器谐波电流放大电容器过热而导致损坏。
因此，电压谐波和电流谐波超过，将导致电容器工作电流增大和异常时，例如，通常用于自愈式并联电容器，它允许过电流倍数是额定电流的1.3倍，当电流超过电容器时的限制时，它会损坏电容器增加时，异常隔热加速老化，从而导致使用寿命降低，甚至造成损坏事故。
同时，使频率谐波失真的正弦波时，锯齿状尖顶波，容易导致局部放电的绝缘介质，长期局部放电会加速电介质，自愈性能降低的老龄化，而且容易导致电容损坏。
（二）对电力变压器的影响
1.谐波电流互感器铜损增加，引起局部过热，振动，噪音增大，附加绕组发热。
2.引起谐波电压滞后和涡电流损耗的附加损耗使变压器的增加，当该系统在高电压或三相不对称，谐波励磁电流增加时，绝缘材料承受电应力的增加，局部放电和运行介电绝缘的影响力增大。
换相的零序谐波形式绕组三角形连接绕组，绕组温度。
3.变压器励磁含有谐波电流的电流，会导致谐波电流浪涌电流过大时，在共振条件的谐波电流出现时，变压器的安全运行会造成威胁。
（三）对电力避雷器的影响
变电站高容量，高电压变压器的励磁涌流正当程序很长一段时间，才能够持续几秒钟或更长的时间，有时还会引起谐振过电压和避雷器放电相关时间过长而损坏。
高压避雷器保护的问题参数滤波电感和电容元件带来更大的困难。
（四）对输电线路的影响
1.谐波污染增加了传输线的损耗。
再加上的趋肤效应的影响，传输线谐波电流时，会产生额外的损失，从而使传输线损耗的增加。
特别是在三相电力系统的非对称的操作，增加了供电系统线路损失的中性点接地尤为显著。
谐波污染增加了中性线电流，导致中性点漂移。
在低电压配电网络中，零序电流和谐波电流（第3，第6，第9......）的零序不仅会导致中性线电流大大增加，导致过载发热，在损失增加，压力降，导致零电位的转变，降低功率质量的供给。
（五）对电力电缆的影响
谐波污染会使介质损耗电缆，传输损耗增加，漏电流上升，温度上升，干燥电缆的局部放电增加单相接地故障的触发增加的可能性。
由于谐波电流的电源线的放大的分布电容，当系统负荷较低时，系统电压增加时，谐波电压相应地增加。
电缆的额定电压高次谐波不稳定的电缆介质的风险越大，更容易发生故障。
（六）对继电保护及自动装置的影响
1.对继电保护及自动装置运行环境的影响
（1）过度谐波电弧炉负荷，电气化铁路等大型地方电网的谐波含量将受到影响。
（2）频繁严重的冲击和浪涌衰减变电站通过缓慢的谐波干扰产生的电涌。
（3）短路容量太小，可能会影响一个较大的电压谐波的系统将受到影响。
（4）易发生在配电系统，传输系统谐波谐振，电网附近的变电站将受到影响。
（5）在谐波通过一个电容器组或其他原因被放大严重的网络附近将受到影响。
2.继电保护及自动装置利用的启动量小
利用负序电流或电压，零序电流或电压，差分电流或电压启动会受谐波。
其中使用的负序列量的灵敏度开始谐波最大的。
3.继电器或启动元件本身对谐波敏感
（1）晶体管或集成电路的运动保护装置的数量是非常小的，工作时间是非常小的，所以它的开始出现较大误差准则易受谐波的影响。
（2）通过控制系统和使用数据采样零零交叉数字继电器或计算机保护时使用的信号，会受到影响和干扰谐波。
（七）对继电保护整定的影响
继电器正常运行，当高功率谐波成分可能会引起过电压保护，过电流保护误动作。
当在正序或谐波含量负序的高次谐波的三相严重不对称，负序过滤装置的可能性，以发起保护装置引起的干扰，从而导致故障。
铁路电气化作为一个地方的开放后，曾出现过注入到系统由于大量牵引变电所谐波和负序电流供电系统造成了严重恶化的质量指标，造成负序电流发生器多次发生故障，主过流保护装置出现故障的变压器，事故距离保护电路振荡锁定装置故障，高频保护收发消息机器故障，母线差动保护和故障记录故障。
大量使用电脑防护装置，在这两个谐波干扰信号可能会引起测量误差，并且可以正常工作的设备密钥处理模块产生干扰，导致保护装置误动或拒动。
如上海宝钢电炉的影响是考虑谐波，造成谐波电流数字型微分干涉保护，差动保护跳闸事故多。
（八）对电力系统其他运行设备的影响
1.影响。
用户负序电流和谐波电流注入同步发电机的系统中，会产生额外的损失，引起局部加热发电机，降低介电强度。
同时，在输出电压波形的产生额外的谐波分量，该同步发电机转子负载的扭转振动时，降低其工作寿命。
2.对断路器的影响。
请一定的谐波磁吹断路器线圈不能正常工作，降低断路器分断能力，没有打扰波形畸变率超过一定限度时，高压断路器切断电感电流谐波浪涌电压陡升现象可能会发生故障电流，导致断路器触头磨损。
3.影响消弧线圈的。
当谐波分量较大，单相接地故障时，谐波电流的消弧线圈将可能无法正常工作，不能在地面进行补偿，从而导致系统故障扩大。
载波通信4.影响。
主要是在语音通信，数据传输失真过程中产生的噪声的电力线载波通信干扰的高次谐波含量，降低的真实性的EMS，DAS的实时数据，从而导致数据错误集中抄表系统等故障。
（九）对电力用户的影响
电气设备污染系统电源可以影响电气设备本身的可靠性。
使用电能质量污染电力电气设备，他们可能会成为污染的一个新来源，以及危险电气系统和其他用户设备。
潜在的影响包括：
产生用户电机的影响;
他们影响用户补偿电容器;
对用户产生影响自动控制装置;
对居民用电的影响;
电力安全威胁。
还包括电信，造成干扰和影响的广播，电视和精密制造行业，这种干扰和影响的影响，差模和共模干扰的干扰，差模干扰的频率和长线传输性能的一些分布电容相互干扰，共模干扰是由地环路干扰的变化引起的，是计算机控制单元的主要原因是工作不正常。
（十）对用户电动机的运行影响
谐
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