电能优化装置检测算法的研究(附件)
随着电网中的非线性负荷日益增加以及电力电子器件的普遍使用，电能品质日趋恶化。居民用电意识的提高，对电能质量的要求也越来越高。而电能质量恶化的一个重要原因归结于谐波现象，因此治理谐波已经迫在眉睫。无源滤波器滤波效果会随LC参数发生变化时将大大下降，受电网阻抗的影响较大。而有源滤波器不但能够改善无源滤波器的滤波能力，并且能够避免无源滤波器与电网发生谐振，应用前景非常广阔的，就是本文所研究的电能优化装置，论文对有源电力滤波器的拓扑结构和基本原理做了研讨剖析。电能优化装置的研究中有两个关键分别是对电网谐波和无功电流的检测和补偿电流的控制策略。本文主要讨论了FBD电流检测方法，该算法的基本原理基于Fryze功率理论，再比较分析基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法，最后讨论了一种对FBD法进行优化的新方法，综合FBD法和ip-iq法。优化后的FBD法削减了矩阵变换，DSP控制器中的运算量也大大减弱。本文对检测算法进行了PSCAD仿真分析，验证了电流检测的效果。关键词 电能质量，有源滤波器，FBD算法，ip-iq算法，PSCAD
目录
1 绪论 1
1.1电能质量现状与发展趋势 1
1.2电能质量优化治理装置的研究背景 3
1.3 谐波及无功电流检测算法的研究现状 4
1.4 本论文的研究问题 5
2 基于三相瞬时无功功率的谐波检测 6
2.1 三相瞬时无功功率理论 6
2.2 电流检测方法 7
2.3 ipiq电流检测方法 9
2.4 仿真与分析 10
2.5 本章小结 15
3 FBD谐波及无功电流检测法 16
3.1 Fryze时域分析的功率理论 16
3.2 FBD算法分析 17
3.3 仿真与分析 19
3.4 本章小结 21
4 优化无功与谐波检测算法 21
4.1 ipiq与FBD算法比较 21
4.2算法的优化 22
4.3 仿真与分析 25
4.4 本章小结 26
总结 27
致谢 29
参考文献 30 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
1 绪论
随着不断发展成熟的高新技术产业的提高，人们对电能质量高的要求日益增加。生产故障的事故经常发生源于电能质量越过指标和恶化现象发生敏感性负荷。电能质量的标准可用电压、频率、波形衡量，电压有效值的偏差、频率波动过大和波形的畸变都会恶劣影响电力用户以及电网安全、经济的运行等。由于电力电子技术的迅速发展，需要愈来愈多的非线性负载加入到电网中，严重影响了电能质量的可靠性，导致电网电压产生畸变，谐波现象已经成为电网的一大危害。因此，治理谐波、改善电能质量是一项十分重要的研讨课题[1]。
1.1电能质量现状与发展趋势
1.1.1电能质量概念的提出
理想状态下的三相交流电力系统定义是恒定的频率和正弦波形，供电给负载并且符合规定的电压水平。三相电压和电流应处于相位相差120度、幅值大小相等的对称状态。由于系统负载的非线性、不恰当的规划、不恒定的负载以及一些其他可能发生的各种故障等原因，这样的理想状态的交流系统是不可能存在，不同程度的波形畸变、电压偏差以及电压有效值波动等现象存在于实际运行中，因此提出了电能质量的概念[2]。
一直以来，大家对电能质量的研究仅致力于电压偏移和频率偏差两个方面，但是随着电力电子科技的进步，大量电力电子设备的使用使得电压波动与闪变、谐波、电压骤升骤降、电压短时中断等电能质量现象的危害影响更广阔，电能质量已经不能单单用电压和频率两方面定义。所以用户对电能质量的要求已不能仅靠电压偏移和频率偏差两个指标来衡量。例如，精密电子装置和大量数字化控制系统的运行投入，对电压质量异常敏感；投入使用非线性负荷将注入大量谐波电流进电网，谐波电流可能会导致母线电压发生畸变、产生附加损耗、影响通讯设备正常工作、甚至发生电网谐振等；投入大容量冲击性负荷将使得电网电压产生波动、骤升骤降以及造成闪变等；电力系统的安全运行将被严重冲击基于这些现象的发生[3]。还有，电力部门必须提升供电质量伴随着居民电能质量意识的不断增长。随着电能质量问题在国内外得到的重视也越来越多，我国早已制定相应的电能质量标准，美国电气电子工程师协会工业应用协会（IEEE IAS）和电力工程协会（IEEE PES）、国际大电网会议（CIGRE）、国际电工委员会（IEC）等学术组织这些问题进行专门研究并设立了专门的工作小组。
1.1.2电能质量的分类
电能质量为众多电力系统干扰问题的总称，主要涉及内容有频率偏差等6个问题。
频率偏移：定义为电力系统基波频率偏移额定频率的程度。主要是发电机有功功率和有功负荷的不平衡所产生。GB/T159451995《电能质量电力系统频率允许偏差》对电网频率偏差作了若干规定[4]：
（1）超过300万千瓦的电力系统频偏不得超过±0.2HZ。
（2）300万千瓦以下电力系统频偏不得超过±0.5HZ。
（二）电压偏差：包括长时间电压偏差和短时电压偏差。长期电压偏差定义为1分钟的持续时间。包括过电压、欠电压和连续损耗电压三种情况。短时电压偏差包括电压上升、电压降落和电压损失。
（三）波形失真现象：理想功率频率正弦波偏移可以定义波形失真，通常用于其光谱内容描述。直流偏移、谐波、间谐波、噪声和陷波都属于波形失真现象。
（1）直流偏移定义为由于电磁暴产生的电磁干扰和电网半波整流设备的存在使得交流电源系统存在直流分量[5]。
（2）谐波被定义为系统电源的基频的整数倍的正弦电流或电压，使用非线性负载是主要原因。
（3）间谐波被定义为具有非整数倍的系统电源基频的正弦电流或电压，可以用离散频率或宽带频谱。静态变频器、交流、感应电动机和电弧设备是其产生主要原因。
（4）陷波换向电压，由转换器换相产生的。
（5）噪声来源于电力电子设备、电弧装置、控制电路和电源系统切换产生的，是指小于200KHZ不需要的电信号，如系统相线，中性线，信号线频率等[6]。
（四）三相不平衡：主要是指电压不平衡，定义为三相电压平均偏移最大值的相电压。使用单相大容量电气设备的主要原因。发生三相不平衡的另一个原因是系统故障。三相电力系统中，负序分量与正序分量正值的比值是三相不平衡的主要特性。根据GB / T155431995“电能质量三相电压允许不平衡”要求，电力系统公共连接点不失真的电压不平衡允许值为2％，暂时不能多于4％。
1.2电能质量优化治理装置的研究背景
20世纪70年代，日本学者为了解决无源滤波器的固有缺点，因此提出了有源滤波器（APF有源滤波器）的概念，1976年西美电气公司L.Gyugi提出使用大功率晶体管 PWM逆变器组成APF去除了电网的谐波，由于功率半导体器件的级别和控制策略还需要改善，所以APF的发展一直处于测试状态。1980年来，非正弦无功功率理论逐渐进步、（GTR，GTO，IGBT等）功率大的可关断器件的迅速发展和电力电子技术和控制技术的快速发展，在1983年，日本学者Akagi.H提出的“瞬时无功功率理论”，为APF的实际使用用提供了不可或缺的条件[7]。
目录
1 绪论 1
1.1电能质量现状与发展趋势 1
1.2电能质量优化治理装置的研究背景 3
1.3 谐波及无功电流检测算法的研究现状 4
1.4 本论文的研究问题 5
2 基于三相瞬时无功功率的谐波检测 6
2.1 三相瞬时无功功率理论 6
2.2 电流检测方法 7
2.3 ipiq电流检测方法 9
2.4 仿真与分析 10
2.5 本章小结 15
3 FBD谐波及无功电流检测法 16
3.1 Fryze时域分析的功率理论 16
3.2 FBD算法分析 17
3.3 仿真与分析 19
3.4 本章小结 21
4 优化无功与谐波检测算法 21
4.1 ipiq与FBD算法比较 21
4.2算法的优化 22
4.3 仿真与分析 25
4.4 本章小结 26
总结 27
致谢 29
参考文献 30 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
1 绪论
随着不断发展成熟的高新技术产业的提高，人们对电能质量高的要求日益增加。生产故障的事故经常发生源于电能质量越过指标和恶化现象发生敏感性负荷。电能质量的标准可用电压、频率、波形衡量，电压有效值的偏差、频率波动过大和波形的畸变都会恶劣影响电力用户以及电网安全、经济的运行等。由于电力电子技术的迅速发展，需要愈来愈多的非线性负载加入到电网中，严重影响了电能质量的可靠性，导致电网电压产生畸变，谐波现象已经成为电网的一大危害。因此，治理谐波、改善电能质量是一项十分重要的研讨课题[1]。
1.1电能质量现状与发展趋势
1.1.1电能质量概念的提出
理想状态下的三相交流电力系统定义是恒定的频率和正弦波形，供电给负载并且符合规定的电压水平。三相电压和电流应处于相位相差120度、幅值大小相等的对称状态。由于系统负载的非线性、不恰当的规划、不恒定的负载以及一些其他可能发生的各种故障等原因，这样的理想状态的交流系统是不可能存在，不同程度的波形畸变、电压偏差以及电压有效值波动等现象存在于实际运行中，因此提出了电能质量的概念[2]。
一直以来，大家对电能质量的研究仅致力于电压偏移和频率偏差两个方面，但是随着电力电子科技的进步，大量电力电子设备的使用使得电压波动与闪变、谐波、电压骤升骤降、电压短时中断等电能质量现象的危害影响更广阔，电能质量已经不能单单用电压和频率两方面定义。所以用户对电能质量的要求已不能仅靠电压偏移和频率偏差两个指标来衡量。例如，精密电子装置和大量数字化控制系统的运行投入，对电压质量异常敏感；投入使用非线性负荷将注入大量谐波电流进电网，谐波电流可能会导致母线电压发生畸变、产生附加损耗、影响通讯设备正常工作、甚至发生电网谐振等；投入大容量冲击性负荷将使得电网电压产生波动、骤升骤降以及造成闪变等；电力系统的安全运行将被严重冲击基于这些现象的发生[3]。还有，电力部门必须提升供电质量伴随着居民电能质量意识的不断增长。随着电能质量问题在国内外得到的重视也越来越多，我国早已制定相应的电能质量标准，美国电气电子工程师协会工业应用协会（IEEE IAS）和电力工程协会（IEEE PES）、国际大电网会议（CIGRE）、国际电工委员会（IEC）等学术组织这些问题进行专门研究并设立了专门的工作小组。
1.1.2电能质量的分类
电能质量为众多电力系统干扰问题的总称，主要涉及内容有频率偏差等6个问题。
频率偏移：定义为电力系统基波频率偏移额定频率的程度。主要是发电机有功功率和有功负荷的不平衡所产生。GB/T159451995《电能质量电力系统频率允许偏差》对电网频率偏差作了若干规定[4]：
（1）超过300万千瓦的电力系统频偏不得超过±0.2HZ。
（2）300万千瓦以下电力系统频偏不得超过±0.5HZ。
（二）电压偏差：包括长时间电压偏差和短时电压偏差。长期电压偏差定义为1分钟的持续时间。包括过电压、欠电压和连续损耗电压三种情况。短时电压偏差包括电压上升、电压降落和电压损失。
（三）波形失真现象：理想功率频率正弦波偏移可以定义波形失真，通常用于其光谱内容描述。直流偏移、谐波、间谐波、噪声和陷波都属于波形失真现象。
（1）直流偏移定义为由于电磁暴产生的电磁干扰和电网半波整流设备的存在使得交流电源系统存在直流分量[5]。
（2）谐波被定义为系统电源的基频的整数倍的正弦电流或电压，使用非线性负载是主要原因。
（3）间谐波被定义为具有非整数倍的系统电源基频的正弦电流或电压，可以用离散频率或宽带频谱。静态变频器、交流、感应电动机和电弧设备是其产生主要原因。
（4）陷波换向电压，由转换器换相产生的。
（5）噪声来源于电力电子设备、电弧装置、控制电路和电源系统切换产生的，是指小于200KHZ不需要的电信号，如系统相线，中性线，信号线频率等[6]。
（四）三相不平衡：主要是指电压不平衡，定义为三相电压平均偏移最大值的相电压。使用单相大容量电气设备的主要原因。发生三相不平衡的另一个原因是系统故障。三相电力系统中，负序分量与正序分量正值的比值是三相不平衡的主要特性。根据GB / T155431995“电能质量三相电压允许不平衡”要求，电力系统公共连接点不失真的电压不平衡允许值为2％，暂时不能多于4％。
1.2电能质量优化治理装置的研究背景
20世纪70年代，日本学者为了解决无源滤波器的固有缺点，因此提出了有源滤波器（APF有源滤波器）的概念，1976年西美电气公司L.Gyugi提出使用大功率晶体管 PWM逆变器组成APF去除了电网的谐波，由于功率半导体器件的级别和控制策略还需要改善，所以APF的发展一直处于测试状态。1980年来，非正弦无功功率理论逐渐进步、（GTR，GTO，IGBT等）功率大的可关断器件的迅速发展和电力电子技术和控制技术的快速发展，在1983年，日本学者Akagi.H提出的“瞬时无功功率理论”，为APF的实际使用用提供了不可或缺的条件[7]。
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