电力系统中的谐波检测理论
摘要：电能是最重要的能源之一，而电能质量与国民经济的各个部门以及人民的生活密切相关。但是近年来，随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子设备、家用电器以及其它非线性负荷的大量使用，使得电网中出现了大量的谐波，使得电力系统谐波污染问题日益严重，也严重影响了电能质量，同时对电力系统安全、稳定、高效地运行形成了威胁。本文主要从介绍了谐波的概念、谐波的分类和危害，又简单的分析了几个典型的谐波源，后又介绍了谐波检测的几种方法。
关键词：谐波滤波器小波分析无功功率神经网络
一、谐波概念
1．谐波定义
电力系统谐波定义是：对周期性非正弦电量进行傅立叶分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=f n/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。
2．谐波含量的计算
(1) 谐波含有率(harmonics：ratio，HR)，即n次谐波的畸变率：
n 次谐波分量的有效值(或幅值)与基波分量的有效值(或幅值)之比，用百分数表示，即：
第n 次谐波电压含有率和第n 次谐波电流含有率：
%100)(1
?=U U U HR n n %
100)(1?=I I I HR n
n (2) 总谐波畸变率(total harmonics distortion ，THD)：谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比，用百分数表示，即
电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率：
%100)]([%100)(221
?=?=∑=N
n n H
U HR U U U THD %100)]([%100)(22
1?=?=∑=N n n H I HR I U I THD 3．谐波变化特征及分类
根据实测结果表明，电力系统中的谐波可分为两种变化：
(1) 随机性的变化，为小周期、短间隔的不规则性变化，反映出谐波为随机变量的特征。
(2) 规则型的变化，其大小随谐波源负荷的大小、系统运行方式等作大周期性的变化，例如当谐波源负荷的大小、系统运行方式等作大周期性的变化。当谐波源负荷增大或系统小方式运行时，相应的谐波电流或谐波电压将随之增大，在较大的水平上作随机变化。
国际电工委员会(IEC)标准的规定，把谐波按其波动性质分为四类：
(1) 准稳态(慢变化)谐波；
(2) 波动谐波；
(3) 快速变化谐波；
(4) 间谐波(interharmonie)和其它成分。
4．谐波危害
谐波对于公用电网的危害主要表现为在以下几个方面：
(1) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，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) 谐波影响各种电气设备的正常工作。使电机产生附加损耗、机械振动、噪声和过电压；使变压器局部严重过热；使电容器过流发热，缩短寿命。
(3) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。
(4) 谐波电压会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
(5) 谐波信号频谱丰富，干扰临近通讯及信息处理设备。
二、谐波源分析
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光
灯、变压器等。根据各自的非线性特性，可分为以下三类（1）阻感负载类谐波源，包括发电机、变压器、旋转电机、带镇流器的荧光灯等；
（2）电弧类变阻抗谐波源，包括电弧炉、电石炉、感应炉、弧光灯等；
（3）电力电子类谐波源，包括各种交流调压器、周波变流器、变频器、开关电源等。阻感负载类谐波源是传统的谐波制造者，从供电系统初次投入使用，就开始制造谐波，污染电力供应。此类谐波源的结构和材料具有显著的非线性电磁特性，例如铁心的磁化曲线，磁心的磁滞回线等。由于对称性，生成的谐波只含奇次谐波，以3次谐波分量为最大。电力变压器的励磁电流是当时最主要的谐波源，其次是发电机。通过优化设计结构和选用线性度好的电磁材料，可以削弱谐波的含量，减小谐波畸变程度。电弧的伏一安特性具有明显的非线性，电弧类变阻抗谐波源也是传统的谐波制造者。谐波特点是杂乱无章，谐波频谱不规则，几乎是连续谱，但在频率为基频(工频)的整数倍或某些分数倍时有明显的峰值。冶金工业普遍使用高功率的电弧来熔炼金属，制造特种钢材。此类设备耗资巨大，功率惊人，属于专用设备，一般单独供电，已经通过加装有源电力滤波器抑制了大量谐波，对公用电网影响不大。
近30年来，随着功率电子技术的发展，各种高效、节能的电力电子设备在人民生活、工业生产中广泛应用，电力电子设备成为当今最大的谐波源。各种电力电子设备中，以整流设备所占比例最大。从
交流电网这一侧来看，电力电子设备的输入端可能是以下几种电路之一：整流电路，交流调压电路，或者周波变流电路(即交一交变频电路)。根据一项关于谐波源的调查报告}川，最大谐波源来自整流器的用户占89%，交流调压电路以及周波变流电路只占1%强。所以对电网谐波的分析，集中体现在对整流电路的谐波分析。因此，本文仅以阻感负载的整流电路和电容滤波桥式整流电路为例，简要的分析了这两种典型的谐波电流源和谐波电压源。
1．阻感负载的整流电路的谐波分析
阻感负载的整流电路曾一直是应用最广、数量最多的电力电子装置，对其谐波分析具有显著的科研价值，成为电力电子装置谐波分析的主流工作。
单相桥式整流电路
阻感负载的单相桥式整流电路如图2-1(a)所示，忽略换相过程和电流脉动，其中交流侧电抗为零，直流电感L d 为无穷大。并设
)sin(2)sin(αωαω+=+=t Es t E e m
式中E m ，E 为电源电压的幅值和有效值，a 为触发延迟角。 交流侧电压和电流波形如图2-1(b)所示。交流侧电流为理想方波，其有效值等于直流电流，即
d I I =
将电流波形分解为傅立叶级数，可得:
t
n t n n I t t t I i n n d
d ωωπωωωπsin 2sin 14
)5sin 513sin 31(sin 45,3,15,3,1∑
∑∞=∞===+++=
其中，基波和各次谐波有效值为:
d I I π221=
),5,3,1(2
2 ==n I n I d n π
可见，电流中只含有奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
（a ）电路 （b ）波形
图2-1忽略换相过程和电流脉动时阻感负载单相桥式整流电路及其波形
三相桥式整流电路
三相桥式整流电路的谐波分析，与单相桥式整流电路的谐波分析方法相同。阻感负载的三相桥式整流电路如图2-2(a)所示，交流侧电压电流波形如图2-2(b)所示。
在电源三相平衡时，电流基波和各次谐波有效值分别为
d I I π61=
),16(6N ∈±==k k n I n I d n π
据此可知，电流中仅含6k ±1(k ∈N)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。
（a ）电路
（b ）波形
图2-2忽略换相过程和电流脉动时阻感负载三相桥式整流电路及其波形
阻感负载的整流电路是典型的谐波电流源，观察到从单相电路到多相电路谐波电流中某些次数的谐波分量消失，可以通过增加整流器件达到减少网侧谐波的目的。对于采用m 个相位互差л/3m 的变压器分别供电的m 个三相桥式整流电路构成6m 相整流电路，其网侧电流仅含6m ±1(m ∈oN)次谐波，且各次谐波的有效值与其次数成反比，而与基波有效值的比值是谐波次数的倒数。
2．电容滤波桥式整流电路的谐波分析
上面分析了阻感负载整流电路所产生的谐波污染和功率滞后，而实际上，直流侧含有滤波电路的整流电路也是严重的污染源。逆变或斩波装置的直流母线电压供给，大多数就是由二极管整流后再经电容滤波得到的。近年来，开关电源日益普及，带来了严重的皆波污染问题。
与直流侧电感滤波相对应，直流侧电容滤波的整流器，因其直流侧电压基本为恒值，并通过各半导体开关器件的切换加到交流侧，因此，此类谐波源产生的谐波电压主要是有直流侧本身特性决定，基本上与交流参数无关，有类似电压源的性质，可以用一个理想电压源与一个等效阻抗串联来等效，滤波电容C越大，等效阻抗就越小，谐波源特性就越接近理想谐波电压源，当C足够大时，则可以看成是理想电压源。因此，直流侧电容滤波的整流器可以看成电压型谐波源。单相桥式不可控整流电路
图2-3所示为电容滤波的单相桥式不可控整流电路，假设该电路已工作于稳态，同时由于实际中作为负载的后级电路稳态时消耗的直流平均电流是一定的，所以分析中以电阻R作为负载。
该电路的基本工作过程是，在u2正半周过零点至wt=0期间，因u2
电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律:
谐波次数为奇次。谐波次数越高，谐波幅值越小。谐波与基波的关系是不固定的。wRC越大，则谐波越大。
（a）电路（b）波形
图2-3电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其波形
三相桥式不可控整流电路
在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，图2-4给出了其电路及理想的工作波形。
该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，、按指数规律下降。
该电路的谐波分析非常复杂，这里直接引用分析得出的结论:电流中仅含6k±1(k∈N)次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，谐波与基波的关系是不固定的。
(a) 电路
（b）波形
图2-4电容滤波桥式控整流电路及其波形以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。有电感时电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。
显见，对具体电路从理论方面进行谐波分析非常的复杂。以上关于常见谐波源的理论分析，只想说明从理论进行谐波分析虽然可行，但操作性极差，而且只能分析比较简单的简化电路，对于现实中的电路，谐波情况极端复杂，理论分析几乎不可行。
根本性技术工具的变革给谐波检测研究带来了两大契机，一个是信号处理方法有了突破性发展，一个是计算机仿真技术得到飞速发展。小波分析理论尤其是谐波分析的小波方法，给谐波检测带来了新
鲜的活力。计算机仿真技术强大的功能和低廉的成本投入，为谐波检测方法的仿真、验证工作带来了巨大的便利。
三、谐波检测方法概况
电力系统的谐波受随机性、分布性、非平稳性等因素影响，对其进行准确检测并非易事。随着谐波问题的日益突出，对谐波检测的要求也愈来愈高，人们在不断探索更为有效的谐波检测方法及其实现技术。伴随着交流电力系统的发展，目前已经形成了多种谐波检测方法。通过分析各种谐波检测方法，对这些方法的优缺点和适用范围进行了总结分类。
1．模拟滤波器法
早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波原理。该方法的优点是实现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因素易于控制。该方法也有许多不足，突出的缺点有：①实现电路的滤波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；②电网频率波动不仅影响检测精度，而且检测出的谐波中含有较多的基波分量；③当需要检测多次谐波分量时，实现电路变得复杂，其电路参数设计难度随之增加；④运行损耗大。由于频域理论存在上述较严重的缺陷，随着电力系统谐波检测要求的提高以及新的谐波检测方法日益成熟，该方法已不再优先选用。
2．快速傅立叶变换法
简称FFT变换法，其基本原理是采用离散傅立叶变换过渡到快
速傅立叶变换，具有精度较高、功能较多、使用方便等特点，是当今谐波检测中应用最广泛的一种谐波检测方法，相关的研究文献不计其数。目前，基于FFT技术己相当成熟，但是FFT也有它的局限性：①从模拟信号中提取全部频谱信息，需要取无限的时间量，使用过去的和将来的信号信息只能计算区域频率的频谱；②没有反映出随时间变化的频率，当人们需要在任何希望的频率范围上产生频谱信息时，FFT不一定适用；③由于一个信号的频率与其周期一长度成正比，对于高频谱的信息，时间间隔要相对地小以给出比较好的精度，而对于低频谱的信息，时间间隔要相对地宽以给出完全的信息，亦即需要一个灵活可变的时间一频率窗，使在高“中心频率”时自动变窄，而在低“中心频率”时自动变宽，FFT自身并没有这个特性，目前谐波的FFT检测都是基于这样的假设：波形是稳态和周期的，采样的周波数是整数的，针对FFT这一局限性，1946年Gabor提出的短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transformation，STFT)(又称加窗FT或Gabor 变换)，对弥补FFT的不足起到了一定的作用，但并没有彻底解决这个问题；④FFT需要一定时间的采样值，计算量大，计算时间长，使得检测时间较长，检测结果实时性较差；⑤即使信号是稳态的，当信号频率和采样频率不一致时，使用FFT也会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(频率幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，有时无法满足检测精度的要求，为了提高检测精度，需一要对FFT进行改进，己有的方法主要有利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正、修正采样点法及利用数字式锁相器使信号频率
和采样频率同步，其中加窗插值算法己发展出矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗及哈里斯窗等数十种窗供不同场合选择使用。目前，在电力系统中稳态谐波检测中大多采用FFT及其改进算法，而对于波动谐波或快速变化的谐波，则需要采取其他方法。
3．小波分析法
小波变换(Wavelet Transformatinn，WT)是针对傅立叶变换在分析非稳态信号方面的局限性形成和发展起来的一种十分有效的时频分析工具。它克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域都具有局部性，非常适合分析谐波信号。小波用于电力系统谐波检测的研究相对小波其它应用较晚，近几年才有较大进展。当前小波变换在谐波检测中的应用研究成果主要有：①基于小波变换的多分辨分析，将含有谐波的原信号分解成不同频率的块信号，将低频段上的结果看成基波分量，高频段为各次谐波，利用软件构成谐波检测环节，快速跟踪谐波的变化。②利用小波变换和最小二乘法相结合来代替基于Kalman滤波的时变谐波跟踪方法，它将各次谐波的时变幅值投影到正交小波基张成的子空间，然后利用最小二乘法估计其小波系数，将时变谐波的幅值估计问题转换成了常系数估计问题，从而具有较快的跟踪速度。③提出暂态时变非周期谐波畸变指标的定义，并用小波变换实现这些指标的量化，从而有效检测各种谐波分量。④利用小波变换的小波包具有将频率空间进一步细分的特性以及电力系统中产生的高次谐波投影到不同的尺度上会明显地表现出高频/奇异高次谐波信号的特性进行谐波分析。⑤通过对含有
谐波信号进行正交小波分解，分析原信号的各个尺度的分解结果，达到检测各种谐波分量的目的，从而具有快速的跟踪速度。⑥将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析，并设计和开发基于小波网络的谐波监测仪。小波应用于谐波分析，前途光明，随着相关理论的建立，有望取代FFT成为谐波信号的主要分析方法。
4．基于瞬时无功功率理论的谐波检测
瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能，对治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法是目前应用最广泛、技术最成熟、数据最可靠、实时性最佳的方法。基于瞬时无功功率理论有3种谐波检测方法：p-q法、ip-iq 法和d-q法。P-q法仅适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测，在测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差；ip-iq法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效；d-q法可在电网电压不对称、畸变情况下精确地检测出谐波电流，其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的检测电路比较简单。瞬时无功功率理论方法的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性，能够适应任意情况下的谐波检测，是目前主要的谐波检测方法。
5．神经网络检测法
神经网络(Neural Network，NN)由心理学家W.S.McCallach和数
学家W.Pitts于1943年提出。1958年Rosenblatt提出感知机，第一次把NN的研究付诸工程实践，此后，NN的应用范围迅速渗透到模式识别、信号与图象、控制与优化、预测与管理、通信等各个领域，国际与国内的学术组织会议及出版物大量涌现，世界各大计算机公司，各国政府和军方都对NN研究给予了高度的重视与支持。
随着NN的发展，它在电力系统中的应用日益深入，涉及到负荷预测、故障诊断、动态和静态安全评价，机组组合和优化调度以及谐波检测与预测等诸多方面。近年来，国内外应用NN进行谐波检测的相关研究文献迅速增加，并取得了一些工程应用成果，概括起来有两个方面：其一，提出了基于多层前馈网络NN的电力系统谐波检测方法，该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络，来进行谐波检测；其二，将Adaline神经网络和自适应对消噪声技术相结合进行谐波检测。谐波的NN检测方法显现出的优点有：①计算量小；②检测精度高，各次谐波检测精度不低于FT 和小波变换，能取得令人满意的结果；③对数据流长度的敏感性低于FT和小波变换；④实时性性好，可以同时实时检测任意整数次谐波；
⑤抗干扰性好，在谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理方法，对信号源中的非有效成份(如直流衰减分量)当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响。但是，NN用于工程实际还有很多问题，例如：没有规范的NN构造方法，需要大量的训练样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，NN的精度对样本有很大的依赖性，等等。另外，NN和小波变换一样，都属于目前正在研究的新方法，研究和
应用时间短，实现技术尚需完善，因此目前在工程应用中还未优先选用。
四、谐波检测的发展趋势
当代社会科技迅猛发展，设备对电能质量要求不断提高。为配合治理谐波污染，相应的，对谐波检测的要求也水涨船高。微电子、半导体工业，信号处理技术，计算机技术的发展，为谐波检测进一步提高精度、实时性提供了有利条件。现在，谐波检测研究向纵深发展，主要发展趋势有：
(1) 谐波检测对象谐波检测对象研究从以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐波(波动谐波、快速变化谐波)检测。目前，对稳态谐波检测的研究已经比较深入，其中的FFT检测方法及其实现技术已经比较成熟，我国对非稳态谐波尤其是快速变化谐波检测的研究才刚刚开始，但是由于非稳态谐波对日益广泛应用的电力电子设备的影响很严重，开展非稳态谐波检测与控制的研究非常必要和迫切。
(2) 谐波检测方法谐波检测方法研究将从以改善FFT为主转向探索新的有效方法。DFT、FFT受使用条件的限制，对小波变换、瞬时无功功率理论、NN、遗传算法等开展深入研究是一种必然选择，这些新的谐波检测方法被广泛应用是一种发展趋势。
(3) 谐波检测实现技术谐波检测实现技术将从以模拟电路技术和可编程数字电路技术为主转向追求高精度、高速度和高可靠性、高实时性、高鲁棒性的可编程器件技术特别是DSP技术。由于可编程器件具有无可比拟的魅力，越来越成为实现各种算法的首选器件，特
别是DSP，在可配置性、高精度、高速度、高实时性方面具有无可比拟的优势，DSP即将成为谐波检测的主流实现技术。
(4) 谐波理论谐波理论研究从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐波之间产生的畸变功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。
五、总结
随着工业规模的扩大和科学技术的发展，一方面电力用户对电能质量的要求在不断提高，另一方面许多新型的电气设备运行时向电力系统注入各种电磁干扰，引起电能质量问题日益突出，引起供电部门和广大电力用户的普遍重视。本文先介绍了谐波的基本概念，对整流电路中的谐波源进行了分析，然后介绍了谐波的检测方法以及检测方法的发展趋势。其中，相对于传统的谐波分析方法，如FFT、瞬时无功功率理论而言，基于小波分析谐波分析和测量方法，在时滞以及计算方面都具有一定的优势。将小波分析应用于谐波问题，利用小波变换时域局部化的优点，进一步提高其谐波分离的实时性，与有源电力滤波器更好地结合起来，以及如何将小波变换应用于在不对称系统中，如三相四线制系统，而根据电力系统谐波测量的特点，建立起一套更为完善的小波分解理论，提出新的谐波测量和分析的方法，也将是谐波检测的热点。
《电力系统的谐波》 电气工程与自动化 1.什么是谐波？特性？分类？ 2.含有谐波的电量的电气参数如何计算？ 3.衡量谐波含量的参数有哪些？定义？ 4.电力系统常见的谐波源有哪些？ 5.谐波的危害是什么？治理方法有哪些？ 理想的交流电压和交流电流波形应是单一频率的正弦波，而实际电力系统中由于负荷 的非线性常会使电压和电流波形产生畸变而偏离正弦，出现各种谐波分量。谐波的含量是 衡量电能质量的重要指标之一。 那么什么是谐波呢？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。 奇次谐波:额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波； 偶次谐波:额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。 一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n ±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。 变频器主要产生5、7次谐波； 分量谐波:频率为基波非整数倍的分量称为间谐波，有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波,次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。 电气参数计算 有效值： U= 1T u 2T 0(t)dt I= 1T i 2T 0(t)dt u(t)= 2∞n =1U n sin ?(nw 1t +αn ) i(t)= 2∞ n =1I n sin ?(nw 1t +βn ) w 1=2πT =2πf 1 I= A A= 1T [ 2I 1T sin w 1t +β1 + 2I 2sin 2w 1t +β2 +?+ 2I n sin nw 1t +βn ]∧2dt
文献综述 电气工程及其自动化 基于MATLAB/simulink的船舶电力系统建模与故障仿真前言 船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，主要由电源设备、配电系统和负载组成。船舶电站是船上重要的辅助动力装置，供给辅助机械及全船所需电力。它是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。船舶电站是由原动机、发电机和附属设备（组合成发电机组）及配电板组成的。船舶电站运行的可靠性、经济性及其自动化程度对保证船舶的安全运营具有极其重要的意义。 船舶电力系统，作为一个独立的综合供电网络，既与陆上的大型供电网络有本质区别，又与由独立推进电站向推进电动机供电的情况不同。首先，船舶电力系统的电源和负载具有可比性，一般来说，船舶推进功率通常占供电网络总功率的60%-70%甚至更大，这对负载和电源的管理、系统组成、配置以及运行控制和调度提出了更高的要求。其次，在船舶电力系统中，以电力变换器与交流推进电动机的技术组合为核心的交流化技术得到了广泛的应用，而由此带来的电力谐波污染间题、变换器与电源以及传动系统之间的相互作用等问题，目前还缺乏有效的评估手段[1]。 船舶电力系统的建模方法有物理建模，数学建模，模块化建模。常用的建模软件有matlab、lingo、Mathematica和SAS等。MATLAB已经成为国际上最流行的科学计算与工程计算的软件工具，有人称它为“第四代”计算机语言，MATLAB 软件主要是由主包、Simulink和工具箱三大部分组成。船舶电力系统的故障类型有短路，断路等故障。 船舶电力系统建模方法 文献[2]采用了数学建模方法,根据柴油发电机组的动态特性,研究了船舶电力系统模型的结构和原理,建立了船舶电力系统模型,该系统可以仿真船舶电力系统的许多运行工况。给出了发电机组正常起动过程和滑油泵、侧推器先后起动时滑油泵电缆发生三相接地故障的仿真过程,对电力系统的参数整定和安全策略的选取有一定的参考价值。 文献[3]采用模块化建模方法，对船舶电力系统短路电流进行计算，船舶电力系统配电方式和保护装置选择，并对施耐德MerlinGerin品牌CompactNS系列塑壳式断路器的选型作了论述。
基于DSP的电力系统谐波检测装置的设计 摘要 随着现代电力电子设备和非线性负载的大量使用，谐波污染日趋严重，谐波己成为电力部门及其用户日益关注的问题，因此对谐波进行检测与分析具有重要的意义。本文首先介绍了国内外电力系统谐波测量装置的现状，分析了数字信号处理芯片在电力系统中的应用情况，对谐波分析的相关理论与技术进行了研究，设计了以DSP为核心的硬件与软件系统。 硬件设计方面，根据电力系统中数据采集和处理的实际特点，设计了信号的多通道采样保持和时钟转换电路，实现了多路信号的同步采样和快速转换。充分发挥了微控制器的控制功能和DSP芯片的数字信号处理优势。 软件算法方面，系统采用传统的快速付立叶变换(FFT)，对采集的电压和电流信号进行频谱分析。论文中还详细分析了信号的采样问题，以及信号的数字滤波问题。初步设计了对采集数据进行计算和处理的相关软件算法，实现了对谐波的测量功能。 本装置可以快速、准确地进行谐波的测量和分析。 关键词：DSP；谐波；同步采样；快速傅里叶变换
Abstract With the wide applications of modern power electronics equipment and nonlinear load,harmonic deterioration has increased rapidly, which has attracted great attentions by powerdepartment and users.By analyzing the situations of the electric harmonic monitoring equipments home and abroad,aiming at the demand of power department and practical application.The application of Digital Signal Processor in the electric power systems is introduced in this paper,it aims at the harmonic theories and technologies analysis and exploits a hardware floor and a software system with DSP core. The hardware design aspect, according to the electrical power system in the data acquisition and the processing actual characteristic, has designed the signal multichannel sampling maintains with the switching circuit, has realized the multi-channel signal synchronized sampling and the split-second-selection.Has displayed the micro controller's control function and the DSP chip digital signal processing superiority fully. The software algorithm aspect, the system uses the tradition to pay fast sets up the leaf to transform (FFT), carries on the spectral analysis to the gathering voltage and the electric current signal. In paper also multianalysis signal sampling question, as well as signal digital filtering question.The preliminary design has carried on the computation and the processing related software algorithm to the gathering data, has realized to the overtone survey function. This equipment may be fast, accurate carries on the overtone the survey and the analysis. Key Words：Digital Signal Processor；Harmonic；Synchronous sampling； Fast Fourier Transfer
第23卷 第5期 电子测量与仪器学报 Vol. 23 No. 5 2009年5月 JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT · 29 · 本文于2008年1月收到。 *基金项目: 国家自然科学基金(编号: 60775047)资助项目; 国家863计划(编号: 2007AA042244)资助项目。 电力系统谐波及其检测方法研究* 唐 求 王耀南 郭斯羽 (湖南大学电气与信息工程学院, 长沙 410082) 摘 要: 谐波测量在电力系统中占有重要的作用和地位。本文概述了谐波测量的主要方法, 对基于加窗插值FFT 的谐波测量方法进行了分析和研究。在此基础上, 设计并实现了一种多功能虚拟谐波测量系统, 采用加窗插值FFT 算法, 以图形化编程语言LabVIEW 为开发平台, 实现了电力系统电压、电流谐波参数的测量。与传统的谐波测量系统相比, 该系统硬件简单、编程灵活、可自定义、数据分析与处理能力强、使用方便, 测量结果证明了系统的可行性和准确性。 关键词: 谐波测量；加窗插值FFT ；虚拟仪器；LabVIEW 中图分类号: TM714 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 470.4054 Research on harmonics and its measurement method in power system Tang Qiu Wang Yaonan Guo Siyu (College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China) Abstract: The harmonic measurement plays an important role in power system. In this paper, some main harmon-ics measurement methods are generally described, and a harmonic measurement method based on interpolating win-dowed FFT is discussed. According to the interpolating windowed FFT method, a multifunctional virtual instrument system for harmonic measurement of voltage and current signals is designed and implemented with LabVIEW envi-ronment. Compared with traditional harmonic measurement system, this system is flexible, self-defined, capable of data processing and analysis, with simple hardware and so on. The measurement results show the feasibility and the validity of the system. Keywords: Harmonic measurement;interpolating windowed FFT;virtual instrument;LabVIEW 1 引 言 近年来, 随着工业和民用用电负荷的迅速增加以及各种电力电子设备的广泛应用, 非线性负载的数量和容量日益增加, 电力系统谐波污染日趋严重。电网谐波使得电压、电流的波形发生畸变, 使电力系统的发、供、用电设备出现许多异常现象和故障, 对电力系统的安全、经济运行造成极大的危害。谐波问题已成为电力部门普遍重视和关心的问题[1] 。谐波测量是处理谐波问题的基础, 是分析和控制电网谐波含量的依据。 传统的电力谐波测量方法多采用电力谐波分析仪或MATLAB 软件包, 但是它们不具有图形化编程 和远程测控能力, 因此具有局限性。 本文在研究谐波测量的主要方法的基础上, 设计了基于加窗插值FFT 的虚拟谐波测量系统。实现了三相电压、三相电流的总谐波畸变率(THD)以及各次(1~13次)谐波畸变率的测量。系统集信息采集、处理和传输于一体, 具有数据采集、谐波分析处理和显示等功能, 试验结果表明了其性能良好, 测量稳定。 2 谐波测量方法 谐波测量是解决谐波问题的基础和主要依据, 通过对谐波的检测, 可以实时监测电网中谐波的含量及其潮流方向, 计量各次谐波含量、 谐波电压电流幅值、相位等参数, 从而提高测量和计量仪表的准确
毕业设计论文 题目：基于有源滤波器和FFT的电力系统谐波检测方法研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
电力系统谐波影响及消除（网络摘录）2011.12.20 返回日志列表 从补偿电容无法投入，谈谐波危害，分析谐波来源，提出治理谐波的初步建议随着个私经济特别是特钢和化学工业在我市的发展，我公司的供电量也不断的增长，为了使功率因素达到标准，必须投入补偿电容，但是这几个乡镇的变电所的补偿电容器却无法投上，强行投入后，电容器熔丝也会很快熔断。但根据其他变电所运行经验，在此功率因数下，无功电流不应大于熔丝熔断电流。这是为什么呢? 经过对该地区的供电现状分析，这是由于谐波引起的。所谓谐波，即理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。 谐波对于电网的危害非常大，主要表现在以下方面： 1.由于电网主要是按基波设计的。由于LC元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备(其它设备主要是感性设备)配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。 2.使电网中的电气设备产生额外的损耗(谐波功率)，降低了设备的效率，同时谐波会影响设备的正常工作，例如变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障，绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。 3.导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。 另外，谐波还会产生对设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。 既然谐波危害如此之大，那么谐波是如何产生的?又如何能减小它的影响和危害呢? 谐波来源 1、中频炉、电弧炉等设备是该地区谐波的主要来源 对该地区负荷进行分析，发现主要的原因是该地区特钢工业发达，中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波(2次到7次)以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主。这正是该地区谐波的主要来源。 2、用户变压器群是该地区谐波的重要来源 一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半，因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路(中性点不接地或三角形接线)，励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变中，都是Y，yn接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。在该地区，现有35kV用户变压器5台，总容量400kVA，10kV用户变压器约800台，总容量330kVA.如此庞大的用户变群又成为了谐波的又一个重要来源。
电力系统谐波检测与治理的研究 摘要：目前电力系统谐波危害已经引起了各个部门的关注，为了整个供电系统 的供电质量，必须对谐波进行有效的检测和治理。 关键字：电力谐波检测治理 前言随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的 使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对 电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁 干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供 配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的 意义。 一、电力系统谐波危害 ①谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。 ②谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严 重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。 ③谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。 ④谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。 ⑤谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接 的经济损失。 ⑥谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ⑦谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。 ⑧谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰 和图像紊乱。 二、谐波检测方法 1.模拟电路 消除谐波的方法很多，即有主动型，又有被动型；既有无源的，也有有源的，还有混合 型的，目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其检测环节多采用模拟电路，因而造 价较高，且由于模拟带通滤波器对频率和温度的变化非常敏感，故使其基波幅值误差很难控 制在10%以内，严重影响了有源滤波器的控制性能。近年来，人工神经网络的研究取得了较 大进展，由于神经元有自适应和自学习能力，且结构简单，输入输出关系明了，因此可用神 经元替代自适应滤波器，再用一对与基波频率相同，相位相差90度的正弦向量作为神经元 的输入。由神经元先得到基波电流，然后检测出应补偿的电流，从而完成谐波电流的检测。 但人工神经网络的硬件目前还是一个比较薄弱的环节，限制了其应用范围。 2.傅立叶变换 利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测，电力系统的谐波分析，目前大都是通过该方 法实现的，离散傅立叶变换所需要处理的是经过采样和A/D转换得到的数字信号，设待测信 号为x(t)，采样间隔为 t秒，采样频率 =1/ t满足采样定理，即大于信号最高频率分量的2倍，则采样信号为x(n t)，并且采样信号总是有限长度的，即n=0，1……N-1。这相当于对无限长 的信号做了截断，因而造成了傅立叶变换的泄露现象，产生误差。此外，对于离散傅立叶变 换来说，如果不是整数周期采样，那么即使信号只含有单一频率，离散傅立叶变换也不可能 求出信号的准确参数，因而出现栅栏效应。通过加窗可以减小泄露现象的影响。 3.小波变换 小波变换已广泛应用于信号分析、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非常突然的信号，在应用离散傅 立叶变换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥小波变换的优势。即对谐波采样离散后，
《虚拟仪器技术》课程设计任务书(三) 题目：谐波测量分析系统设计 一、课程设计任务 随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及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，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。 LabVIEW具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的VI 程序，能够进行各种时域与频域信号分析。 本课题通过虚拟仪器LabVIEW图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW虚拟仪器软件开发平台，将LabVIEW软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率等参数。具体指标与要求如下： (一) 要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为： 1、频率围：0.001Hz～100KHz； 2、幅值：0～200A，可选； 3、直流偏置：0～100V，可选； 4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）； 5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。 (二) 谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD、thd，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。 (三) 谐波测量分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图。 （四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。
电力系统谐波检测与治理的研究 1、谐波的定义 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的力量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。 2、谐波的危害 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面： 2.1 对供配电线路的危害 2.1.1 影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下，不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 2.1.2影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用电配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较低，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波，在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 2.2 对电力设备的危害 2.2.1对电力容器的危害 当电网存在谐波时，投入电容器后，其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜低复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器，允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压器呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 2.2.2 对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时
1 绪论 随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波的问题，因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。所以，面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术手段的落后、自动化水平低的现状，针对电压质量和谐波问题，研究电网谐波治理问题和无功补偿新技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义[3]。 1．1 谐波的定义 “谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率振动。电气学中所谓电网谐波，就是电网正弦电压波形畸变后，其波形可以按傅立叶级数进行分解，除了基波（50HZ）之外，还有一系列频率为基波频率整数倍的正（余）弦波，这些正（余）弦波称之为谐波。正是由于这些谐波注入了电网，就使得电网电压波形畸变[14]。 1．2 谐波的危害 电网谐波的危害主要有以下几点： 1、相同频率的谐波电压余谐波电流要产生同此谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网容量。 2、高次谐波能使电容器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少，甚至出现发热、鼓肚、击穿或爆炸事故。同时在电压已经畸变的电网中，电容器的投入，还可能使电网的谐波加剧（谐波放大现象）。 3、谐波往往引起继电保护不工作或误动作，从而造成设备与系统的事故，尤其是半导体继电保护与整流型继电保护更为严重。
4、谐波能增大仪表的计量误差，干扰通讯网络的正常工作。 5、电机中有谐波电流，且频率接近某个零件的固有频率时，使电机产生机械振动并发出很大的噪声。 6、谐波对人体有影响。从人体生理学来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转。其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的磁辐射就会直接影响人的脑磁场和心磁场。 1．3 谐波的产生 电网谐波来源于三个方面：其一是发电源质量不高产生谐波；其二是输电网产生谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以电气设备产生的谐波最多，具体情况如下： 1、整流设备。由于晶闸管整流的广泛应用（如电力机车的、路电解槽、电池充电器等），给电网造成大量的谐波。统计表明：由于整流装置产生的谐波占所有谐波的40%左右，这是最大的谐波源。 2、电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三项电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃料不稳定，引起三项负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的△形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。 3、电力变压器。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济型，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波，其次谐波电流可达额定电流的0.5%。另外变压器空载合闸时出现的涵流中也含有大量的谐波量。 4、家用电器。如电视机、录像机、电子调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波；在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能是波形改变。
船舶电力系统中的谐波检测方法综述 船舶电力系统是一个独立的、小型的完整电力系统，由于整流型，冲击性等非线性负荷的存在，所以对比陆地大电网，船舶电力系统有着更加严重的电能质量问题，而其中最主要的问题就是谐波，谐波会使船舶电网供电质量指标严重下降，同时使得电网各个部件运行情况恶化。所以如何更快速更准确的测量出系统中的谐波与简谐波，成为了全世界的焦点。文章主要介绍了目前流行的谐波检测方法，并详细论述了各种检测方法上的优势与不足，以便在检测过程中选择更加恰当的方法。 标签：船舶电力系统；谐波；检测方法 1 概述 船舶電力系统是一个独立的系统，随着电力技术的飞速发展以及科技的进步，船舶电力系统已经从早期的单一照明供电，逐渐发展成现代的船舶电力。然而，正是由于大量半导变流器的普遍投入使用，以及电力技术的应用，这使得船舶电力系统中的谐波污染日益严重[1]。 谐波会造成电动机的电机和变压器的附加损耗，并且产生噪声、过热现象、谐波过电压以及机械振动，甚至会损坏变压器与电机。同时谐波会引起，电流变化率电压变化率过高或产生过热效应，控制系统误差，会给换流装置带来影响、并且引起晶闸管故障[2]。高次谐波也会对线路以及通讯设备带来干扰，从而产生电力测量仪表中的误差。 而谐波问题涉及面很广，其中包括畸变波形、谐波抑制的分析方法、谐波潮流计算、电网谐波潮流计算、谐波测量、谐波源分析以及谐波限制标准等[2]。谐波检测是谐波问题的一个重要分支，也是研究谐波问题的基础与出发点。 2 基于傅里叶变换的谐波检测算法 虽然加窗插值法能够减小一定的误差，但为了检测出信号中所有的间谐波和谐波分量，窗宽在大多数情况下可能会高达几十个信号周期，并且容易受噪声干扰，这对实时检测是不利的。 3 基于小波变换的谐波检测方法 小波变换是将信号与一个时域和频域均具有局部化性质的平移伸缩小波基函数进行卷积，将信号分解成位于不同频带时段上的各个成分。小波变换是在工程应用中最重要的是最优小波选择，目前主要是通过小波分析处理信号的结果与结论的误差来判定小波的好坏，并由此选择小波基。 特殊地，取a0=2，b0=1，可以得到二进小波（Dyadic Wavelet），相应的变
有源电力滤波器中的谐波检测电路设计 摘要：针对现在有源电力滤波器中谐波检测的缺陷，设计出一种基于DSP、AD756和MAX260等硬件相结合的谐波检测电路。分析了ip-iq谐波电流检测算法，并且在硬件上实现。介绍了硬件结构原理，给出硬件设计框图和谐波检测各部分的程序流程，并研制出谐波检测电路。实验结果验证了谐波检测的快速性和准确性，系统运行稳定可靠，有较好的应用前景。关键词：谐波检测；TMS320F2812；AD7656；PLL；MAX260；C8051F330 对于有源电力滤波器(APF)而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、准 确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性，这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性，克服了测量结果之间延迟的缺点，使得测量精度高。以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷，而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。1 装置整体运行原理及相关算法1．1 装置运行原理图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。图中，交流电网对非线性负载电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。有源电力滤波器由4部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电容电压。然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。此时，APF 产生并向电网注入补偿电流，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载
电力系统谐波管理暂行规定 SD126～84 第一章总则 第一条电力系统中的谐波主要是治金、化工、电气化铁路等换流设备及其他非线性用电设备产生的。随着硅整流及可控硅换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加，大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。为保证向国民经济各部门提供质量合格的50赫兹电能，必须对各种非线性用电设备注入电网的谐波电流加以限制，以保证电网和用户用电设备的安全经济运行，特制订本规定。 第二条本规定适于电力系统以及由电网供电的所有电力用户。 第三条电网原有的谐波超过本规定的电压正弦波形畸变率极限值时，应查明谐波源并采取措施，把电压正弦波形畸变率限制在规定的极限值以内。在本规定颁发前已接入电网的非线性用电设备注入电网的谐波电流超过本规定的谐波电流允许值时，应制订改造计划并限期把谐波电流限制在允许范围以内。所需投资和设备由非线性用电设备的所属单位负责。 第四条新建或扩建的非线性用电设备接入电网，必须按本规定执行。如用户的非线性用电设备接入电网，增加或改变了电网的谐波值及其分布，特别是使与电网连接点的谐波电压、电流升高，用户必须采取措施，把谐波电流限制在允许的范围内，方能接入电网运行。 第五条进口设备和技术合作项目亦应执行本规定。但如对方的国家标准或企业标准的全部或部分规定比本规定严格，则应按对方较严格的规定执行。 第六条谐波对通讯等的影响应按国内有关规定执行。 第七条用户用电设备对谐波电压的要求较本规定的电压正弦波畴变率极限更严格时，由用户自行采取限制谐波电压的措施。 第二章电压正弦波形畸变率极限值和谐波电流允许值 第八条电网中任何一点的电压正弦波形畴变率均不得超过表1规定的极限值。 表1 电网电压正弦畸形畸变率极限值(相电压)
浅谈电力系统中的谐波 摘要：经济的飞速发展带来供电紧张，为解决供电紧张，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要高效利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。电力系统中谐波对供配电线路、对电力设备的危害都是相当严重的。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。本文分析谐波基本性质和测量方法，对配网中谐波的来源和危害进行了详细说明，总结和提出了治理谐波的若干方法。 关键字：电力系统电能质量谐波电流谐波危害谐波治理 abstract: the rapid development of economy brings power supply nervous, to solve the power supply nervous, on the one hand, to build many new power plants and transmission lines, on the other hand to efficient use of the existing power resources, and reduce power consumption. harmonic is caused power loss increases, the quality of power supply of the decline of the important factors. in the past, the harmonic current is electrified railway and industry by dc speed control of transmission device used by the exchange transformation for the dc produced by mercury rectifier. in
北京宝龙德科技有限责任公司高频有源滤波器谐波是影响电能质量的重要因素之一，它通常是由电网中的非线性元件产生的。船舶电网中的谐波使船舶发电机的效率降低,使电气设备出现过热，振动和噪音的现象，并产生绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁的结果；同时谐波对通信设备和电子设备也会产生严重干扰,引起船舶继电保护和自动控制装置误动作,可靠性降低；微电子设备在船舶测量、控制、保护、操作等系统中应用广泛，它对电流波形有较高的要求，易遭受谐波干扰。综合全电力推进系统产生的谐波通过船舶电网对船上包括测量、保护、控制、操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。如谐波对计算机的干扰主要是影响磁性元件和数据处理系统的精度和性能，从而影响计算机处理数据的质量。谐波对船舶照明及生活用电等设备的影响主要表现在增加损耗、降低寿命和运行性能劣化。特别由于变频驱动的使用，谐波问题日益突出和严重，国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。 常规有源滤波装置由于技术方案的问题，容量越大造价越低，为降低设备整体造价，通常只能进行集中谐波治理，即在变压器输出位置配置有源滤器，消除负载谐波对电网系统的影响。但对用户变频整流设备如电梯配电、医用仪器、数控自动化等设备可能受到的自身产生的谐波危害却为无能为力，可谓是“毫不利己，专门利人”。 采用高频小容量高性价比设计，北京宝龙德科技在国内首次将开关电源领域中成熟的高频开关技术引入有源滤波领域，首先在国内开发出小容量高频有源电力滤波器，该高频有源滤波工作频率高达100KHZ，是现有常规有源滤波设备工作频率的5~10倍，可以针对自动化电控设备产生的电网谐波进行谐波就地滤除，具有谐波消除滤高，滤除高次谐波分量效果明显的效果，可以有效的提高电控自动化设备的用电指标。 高频有源电力滤波器优点 1、工作频率高，正常运行工作频率最高100KHz，噪声衰减速度远高于常规电能质量治理产品，。在绝大多数情况下，没有和负载产生谐振的可能。 2、高频化小容量设计易于分散配置在各末端配电箱或负载设备附近，将负载产生的谐波电流就地进行消除。在消除用户负载产生的谐波对电网危害的同时消除谐波对用户设备的危害隐患，实现用户、电网双获益。 3、消除电网谐波的同时可选择消除电网零线中的全部电流或消除电网无功电流，可以有效的治理电网负载不平衡运行时零线电压、零线电压带来的配网设备安全运行的隐患，可以有效的提高电网负载能力，提高负载功率因数、降低用户利率电费。 5、由于高频有源电力滤波器广泛分布末端配电网中，偶尔一两台出现故障导致线路失去谐波抑制能力也会由于回路容量有限谐波量小对整体配电网难以引起严重危害。 6、高频有源电力滤波器技术高。高频有源电力滤波器采用先进的高速大功率电力电子器件，超大规模集成电路元件，能够高速分析计算谐波输出更优质波形，能够高效可靠运行。 5、高速的控制保护能力。高频有源电力滤波器工作周期仅10us，大大优于常规滤波器的控制周期。因此能实现更加优异的控制，得到无与伦比的谐波治理效果。 6、完全自主知识产权，可以行业特异化设计，针对不同的行业和场合，如医疗、人防、电梯、中央空调等专业领域配电用电特点，针对性处理配电问题。
《虚拟仪器技术》课程设计任务书(三) 题目：谐波测量分析系统设计 一、课程设计任务 随着科学技术的发展，各种电子产品在电力系统中得到大量应用，特别是各种非线性负载包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及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，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电网中的电压和电流波形产生周期性畸变。电网中除了与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)以外，还出现了一系列大于基波频率整倍数的正弦波分量(高次谐波分量)。这一系列正弦分量统称为电力谐波。当电网中存在的谐波成分超过一定指标，轻者增加能耗，缩短设备运行寿命，重则造成停电事故，直接影响安全生产。所以，对电网中谐波含量准确的测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行是十分必要的。 LabVIEW 具有强大的信号分析与数学运算功能，在它的数学分析库中包含了数以百计的VI 程序，能够进行各种时域与频域信号分析。 本课题通过虚拟仪器LabVIEW 图形化软件开发平台，设计一种谐波测量分析系统。本课题中系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想，选择开放式的LabVIEW 虚拟仪器软件开发平台，将LabVIEW 软件引入到谐波测量分析系统中，能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD 、thd ，2－31次各次谐波电流含有率等参数。具体指标与要求如下： (一) 要求设计一个通道的正弦信号发生器以模拟实际电流，具体要求为： 1、频率范围：0.001Hz ～100KHz ； 2、幅值：0～200A ，可选； 3、直流偏置：0～100V ，可选； 4、可调整幅值、相位、频率；调整后无须重新启动（提示：用循环结构）； 5、在产生的信号中可以加入高斯噪声。 (二) 谐波测量分析系统能模拟测量低压配电系统的基波电流，基波频率，总畸变率THD 、thd ，2－31次各次谐波电流含有率、直流含量等参数。 (三) 谐波测量分析系统可以对产生的正弦信号进行频谱分析，得到相关的频谱图。 （四）所有测量分析的参数都要在系统前面板中进行显示，所产生的正弦信号及其频谱图要求分别进行波形显示。 谐波分析原理： 对于周期为0/2ωπ=T 的电流谐波信号进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相