电流平均值谐波检测方法MATLAB仿真

摘要本论文首先对国内外谐波抑制技术发展现状、有源电力滤波器原理与结构及三相瞬时无功功率理论进行了综述。

重点研究了基于瞬时无功功率理论。

检测法及改进的电流移动平均值谐波检测法。

在对电流移动平均值原理进行分析的基础上，给出了电流平均值谐波检测方案及实现检测的原理框图。

接着以MATLAB6.1软件包中的SIMULINK仿真环境为平台，构建了平均值谐波检测法的仿真模型;对电流平均值谐波检测方案进行了仿真研究，并与基于滤波器的。

谐波检测法的仿真结果进行了分析对比。

结果表明，所采用的仿真方法与所构建的仿真模型不仅有效，而且证实了平均值谐波检测法比滤波器法有良好的动态响应性能。

在仿真基础上，提出了基于LF2407ADSP芯片电流平均值谐波检测法的数字实现方案，进而开发了三相并联型数字有源电力滤波器实验系统。

进行了软、硬件设计。

搭建的硬件电路包括:过零同步检测、电流和电压检测、PWM输出等几部分。

采用模块化设计思路，用DSP汇编语言编写了系统软件，其中包括：ADC及中断处理、捕获及捕获中断处理、三相到两相电流转换、平均值法谐波计算、两相到三相变换、PI调节、PWM输出控制及主程序等模块，并在软件开发系统下进行了调试。

为实现电流同步采样处理，根据LF2407A事件管理器捕获单元特点，提出一种用软件实现锁相环的控制方法。

最后对有源电力滤波器进行了系统调试。

实验结果表明，采用电流平均值谐波检测法结合软件锁相环控制方法能有效、准确的检测谐波，用该检测法开发的DSP有源电力滤波器实验系统，能够有效消除由非线性负载产生的谐波。

关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器目录摘要 (1)第一章绪论 (4)1.1 概述 (4)1.1.1 谐波含义及其产生 (5)1.1.2 谐波的危害 (5)1.1.3 谐波研究意义 (6)1.2 谐波抑制技术现状 (7)1.2.1 无源滤波器及其应用 (7)1.2.2 有源电力滤波器发展概况 (10)1.3 本论文主要工作 (11)第二章有源电力滤波器原理和结构 (12)2.1 有源电力滤波器工作原理 (12)2.2 有源电力滤波器系统构成 (13)2.2.1 并联型有源电力滤波器 (14)2.2.2 串联型有源电力滤波器 (20)2.3有源电力滤波器的主电路 (21)2.3.1 PWM逆变器主电路 (22)2.3.2 PWM逆变器工作原理 (23)2.3.3 电流跟踪控制方式 (25)第三章瞬时谐波及无功电流检测方法 (29)3.1 概述 (29)3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 (30)3.2.1 瞬时无功功率的基础理论 (30)3.2.2 三相电路谐波和无功电流实时检测 (33)3.3 于电流移动平均值原理谐波检测新方法 (36)3.3.1 电流移动平均值原理 (37)3.3.2 基于移动平均值原理的谐波检测法 (38)第四章电流平均值谐波检测方法仿真研究 (40)4.1 概述 (40)4.2 电流变换及移动平均值模块在Simulink下的实现 (40)4.3 电流平均值原理谐波检测在Simulink下的实现 (41)4.4 电流平均值原理谐波检测仿真结果 (43)4.4.1 负载恒定时的仿真 (44)4.4.2 负载变化时的仿真 (45)小结 (48)参考文献 (50)第一章绪论1.1概述在一个理想的发电和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电。

在这种条件下，对电能质量是用频率和电压来衡量的。

但在实际的电力系统运行中，由于负荷的变化，电力系统的频率和电压是不能保持恒定不变的。

因此，各国对电能质量都是用频率和电压的允许偏差值加以衡量并作出规定。

但是仅用这两个指标来表征电能质量是很不完善的。

波形畸变、电压闪变和三相电力系统中电压和电流的不平衡也是影响电能质量的重要因素。

这几个问题在过去由于还未对电力系统产生十分严重的影响，没有引起电力和供用电部门的重视，但是近几十年来，随着电力电子技术的发展，大功率电力电子装置在工业各部门的广泛应用，以及大量家用电器的使用和其它非线性负载的增加，使得电力系统的波形畸变日益严重，电网中的谐波含量已经大大增加，谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响己经十分严重，到了不得不认真对待和考虑的地步了。

电力系统的谐波问题早在1920一1930年间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问题研究的经典论文。

到了50一60年代由于高压直流输电技术的发展，对变流器谐波问题的研究有大量论文发表。

70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种大容量电力整流、换流设备以及电子设备在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，谐波造成的危害也日趋严重。

世界各国都对谐波问题予以十分重视和关心，定期召开有关谐波问题的学术研讨会。

国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组，制订了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。

我国对谐波问题的研究起步较晚。

近年来由于电气化铁路的发展和冶金、化工、有色金属、煤炭和交通部门大量应用电力整流和换流设备，谐波对电力系统的影响和危害也日益严重，认真加以研究并采取相应的管理和治理措施显得十分迫切。

1.1.1 谐波含义及其产生国际上公认的谐波含义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。

所以，谐波次数必须为整数。

如:我国电力系统的额定频率是50HZ，则基波为50Hz，2次谐波为100Hz，3次谐波为150Hz，等等。

间谐波(interharmonies)、次谐波(subharmonics)和分数谐波(fractional一harmonics)等概念与谐波的概念不同。

本文所提到的谐波，均指基波整数倍谐波。

由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐波。

除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量的整流或换流设备，以及其他非线性负载造成。

系统中的主要谐波源可分为两大类:一是含半导体非线性元件的谐波源;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。

前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、PWM变频器以及节能和控制用的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯、变压器等。

数量庞大的家用电器分属于上述两类谐波源，是不可忽视的谐波源。

电气铁路机车采用的大容量单相整流供电设备，不但产生大量谐波电流，还对供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压。

这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，并对电力设备及通信线路和电子设备产生危害和干扰。

1.1.2 谐波的危害在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电网、电力设备和其它系统的危害是非常严重的，归纳起来主要有以下几个方面：1. 使发电机、变压器、供电网、导线和电动机等产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

2. 影响各种电气设备的正常工作。

对电机除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压;增大了变压器的铜损和铁损，使变压器局部严重过热，噪声增大;对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而引起电容器过负荷或过电压而损坏;对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。

这方面国内外有过深刻的教训，发生过许多无功补偿电容器损坏的事故。

3. 对继电保护和自动装置产生干扰和造成误动或据动。

尤其是衰减时间较长的暂态过程，如变压器励磁涌流中的谐波分量，更容易引起继电保护的误动作。

我国曾发生过电气化铁道造成的负荷电流畸变和不对称，使某电厂20万kw机组的保护跳闸及某系统中的220kV线路保护跳闸，造成大面积停电的严重事故。

4. 影响仪表和电能的计量。

电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时将会产生测量误差。

5. 对邻近的通信线路造成干扰，轻者产生噪声降低通信质量;重者导致丢失信息，使通信系统无法工作。

.1.1.3 谐波研究意义由上一节的内容，谐波的危害十分严重，因此开展谐波研究具有非常现实的意义。

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。

电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。

有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术I’]。

然而电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。

有效地抑制谐波，可以推动电力电子技术的发展。

反过来，电力电子技术的进步，也会促进谐技抑制技术的提高。

谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。

对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。

在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。

目前，对地球环境的保护己成为全人类的共识。

对电力系统谐波污染的治理也己成为电工科学技术界所必须解决的问题。

有关谐波问题的研究可以分为以下四个方面：1.与谐波有关的功立定义和功率理论的研究；2.谐波分析以及谐波影响和危害的分析；3.谐波的补偿和抑制；4.与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。

其中，谐波补偿和抑制技术是研究的重点，而有源滤波技术是谐波抑制的主要研究方向之一，也是本文要重点研究的内容。

随着有源滤波技术的发展，必将逐步消除谐波污染，最终实现电网“绿色化”。

1.2谐波抑制技术现状解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波;另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这只适用于电力电子装置为主要谐波源的情况。

本文主要讨论装设谐波补偿装置来解决谐波污染的方法。

传统方法是采用交流电抗器和电容器等组成的无源滤波器，这种方法在工程实践中己经非常成熟。

而有源滤波器的使用正在成为谐波抑制技术发展的一个重要趋势。

1.2.1无源滤波器及其应用无源滤波器是由电力电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，又称为LC滤波器。

它利用电路的谐振原理来达到滤波目的，运行中和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。

可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等。

实际应用中一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时也与一组高通滤波器配合使用。

1.2.1.1 单调谐滤波器单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振原理构成，如图1.1所示。

滤波器对n次谐波的阻抗为：式中一一额定工频角频率。

由于谐振谐波次数为n，则在谐振点处，有，由于较小，n次谐波主要由分流，而很少流入系统中。