基于小波变换的电力系统谐波分析

论文总字数：15010字

摘 要

本文从谐波的生产原理出发，通过小波变换去处理谐波的信号，然后再使用MATLAB进行仿真，达到检测谐波的目的。接着设置滤波器，进行谐波治理分析。观察治理效果。最后得到结果，小波变换非常适合用于谐波分析。它可以提取信号里不同频率的谐波，并做出非常高准度的分析。

关键词：小波变换；谐波分析

Analysis of Power System Harmonic Analysis Based on Wavelet Theory

Abstract

Starting from the principle of harmonic production, this paper uses wavelet transform to process harmonic signals, and then uses MATLAB for simulation to achieve the purpose of detecting harmonics. Finally, a filter is set up and harmonic treatment analysis is performed to observe the treatment effect. Finally, the results are obtained, and the wavelet transform is very suitable for harmonic analysis. It can extract the harmonics of different evaluation rates in the signal and make a very high-precision analysis.

Keywords: wavelet transform,power system

目录

摘要…………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract ……………………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论 ………………………………………………………………………………………1

1.1 课题现状研究背景及意义…………………………………………………………………1

1.1.1 谐波产生与危害………………………………………………………………………1

1.1.2 谐波研究的现状………………………………………………………………………2

1.1.3 谐波研究的意义………………………………………………………………………2

1.2 本文主要探讨内容…………………………………………………………………………3

第二章 谐波产生的原因分析 ……………………………………………………………………4

2.1 谐波分析……………………………………………………………………………………4

2.1.1 谐波分析的意义………………………………………………………………………4

2.1.2 分析方法………………………………………………………………………………4

2.1.3 测量方法………………………………………………………………………………5

2.2 谐波检测……………………………………………………………………………………5

2.2.1 小波变换在谐波上的应用……………………………………………………………5

第三章 小波分析在谐波分析中的应用 …………………………………………………………6

3.1 小波变换的优越性…………………………………………………………………………6

3.2 小波变换在谐波分析中的应用……………………………………………………………6

第四章MATLAB仿真……………………………………………………………………………9

第五章 谐波治理分析……………………………………………………………………………13

第六章 结论………………………………………………………………………………………17

第一章 绪论

1.1 课题现状研究背景及意义

1.1.1 谐波产生与危害

一、谐波的产生

“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本循环(或基波)频率的倍数频率振动。对电气信号也与此相仿，谐波被定义为一个信号量，该信号量的频率是实际系统频率(即发电机所产生的频率)的整数倍。实际系统频率称为基频(工频)，我国工频为50Hz。若电气信号的频率是基频的奇数倍(大于1)，则称为奇次谐波;信号的频率是基频的偶数倍(大于0)，则称为偶次谐波。电力系统中的谐波可分为暂态谐波和稳态谐波两种。前者是由电力开关操作或系统故障引起的。例如，投切大容量电气设备所引起的浪涌电流，接地故障的不稳定瞬间放电等。后者是由于非线性负荷造成的。就电网的发展来看，非线性负荷的惊人发展则是造成谐波污染的主要根源。作为谐波源，可以划分成如下几类：

（1）发电机。由于其本身结构，磁动势不是严格按正弦分布的，使得在发出基波电动势的同时也有谐波电动势产生，一般此谐波分量可以忽略不计。

（2）电力变压器。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计时考虑经济性，使得变压器的励磁电流呈尖顶波，其3次谐波分量对电网的影响较大。另外变压器空载合闸时出现的涌流也含有很大的谐波分量。

（3）整流装置。整流装置是电力系统中最主要的谐波源。近年来，工业生产中广泛应用大容量晶闸管、可控硅整流器、逆变器、变流器等电子设备(如电力机车、高频炉、大型轧钢机、电视机、电池充电器等)，这些谐波源将向电网注人大量的高次谐波。这些负荷共同的特点是使用了大功率电力半导体器件，如晶体管、晶闸管等，它们的伏安特性是非线性的。

（4）家用电器、电视机、录像机、电子荧光灯等通过稳压器和整流器产生奇数阶谐波。在洗衣机，电风扇和空调等受伤的设备中，由于不平衡电流的变化，波形可能会发生变化。

二、谐波的危害

非线性设备的大量应用使得电力系统的波形畸变问题日益严重,从而对电力系统本身和用户造成了严重的危害。

谐波使旋转电机附加损耗增加、机轴振动、输出降低，加速绝缘老化。高次谐波会使无功补偿装置的电力电容器、电抗器产生谐波放大，甚至产生谐波谐振，使设备发出异声、产生振动，严重时不能投入工作。产生谐振还会使电容器的寿命缩短、绝缘击穿或烧毁。谐波激发系统局部发生谐波振荡，损坏电力设备，谐波会对自动控制装置产生扰乱，影响计算机和其他精密电子控制设备的正常工作。谐波干扰使电气参数瞬时值相位发生变化，造成电力系统保护装置误动作，危及电网运行的安全。高次谐波电流的干扰使通信线路不能正常工作，甚至造成通信设备的损坏。谐波引起电气计量装置的误差，降低其准确性。谐波作用会使谐波源用户少付电费，受谐波影响的用户反而多付电费。

1.1.2 谐波研究的现状

近年来，常规的非线性装置，例如电网中的变压器和旋转电动机，以及最新的非线性装置，例如整流器，变频器和电压镇流器，已得到广泛使用，并且其应用范围正在扩大。当使用这些非线性负载时，电网的电力供应变得不平衡，这对电力系统产生了重大影响。这严重影响了电源系统的电源质量。此外，由于我国国民经济的快速发展和工厂，单位和居民对电力的需求持续增长，电力系统的电能质量将面临发展机遇和挑战。如今，“谐波源”电气设备的功率负载比例正在增加，尤其是随着最新的数字信息需求的增加，功率负载比例也在不断增加。电源可靠，电能质量更加个性化。因此，谐波分析和处理对于电网的正常运行变得越来越重要，谐波抑制技术的发展更加迫切。

过去，无源滤波器以结构简单，成本低廉，维护方便，技术设计和成熟的制造经验而广泛用于电网。 但是，对电能质量要求的普遍提高已逐渐显示出无源滤波器的缺点。传统的无源滤波器无法充分抑制电网的谐波，也无法满足电能质量要求。因此，近年来，抑制电网谐波并满足电能质量要求的新技术的研究和开发已引起国内外电力系统研究的关注^[1]。

1.1.3 谐波研究的意义

自上世纪八十年代后期以来，我国才开始对谐波问题进行研究。后来我们认识到，谐波研究是一个非常必要的课题，因为它的危害非常的大。谐波会降低电能生产，传输、利用的效率。不仅如此，电气设备往往会产生热量，而这过程中会产生噪声和振动，使得绝缘子老化，缩短其使用寿命。甚至引起灼伤。谐波会在电力系统中引起局部并联或串联谐振，放大谐波分量，并烧毁电容器和其他设备，带来巨大的经济损失。

电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。谐波研究的重要性在于它对电力电子技术本身发展的影响。但是，电力电子设备引起的谐波污染，阻碍了电力电子技术发展。研究人员需要对谐波控制进行更有效的研究。

谐波研究的意义，在于控制电网环境污染，维护电网的绿色环境。解决谐波会使我们的电网坏境更加的干净。

1.2 本文主要探讨内容

保证电网的谐波质量是维护电力系统安全、经济运行的关键部分。本论文以电力系统谐波为分析对象，共分为五个部分。以下是本文的主要安排：

第一章主要是有关对课题的综述，引入了电力系统谐波的概念，了解了谐波对配电系统和电网运行的危害以及影响。通过对谐波产生机理的分析，为后面谐波的测量做了基础铺垫。它存在的实际意义和用途、追溯了历史，探讨了现状。

第二章阐述了谐波分析的意义与必要性，从而引出对谐波的测量。承上启下，提出了谐波测量中非常关键的一环——小波变换。

第三章着重介绍了小波变换，讲述了小波变换是如何在谐波分析中使用的。通过小波变换得到了谐波的信号，接下来要去检测谐波。

第四章在第三章谐波分析的基础上，通过MATLAB仿真，达到检测谐波的目的。

第五章交代了最后一步——使用滤波器治理谐波。本章交代了滤波器的选择，然后通过MATLAB仿真，模拟出滤波器治理谐波的结果

第六章对全文做了概括性的小结,并阐述了对未来的愿景。

第二章 谐波分析与检测

2.1 谐波分析

2.1.1 谐波分析的意义

处理简谐运动是相对简单的，但很多振动并不是简谐运动。然而，在多数情况下振动是周期的。任何关于时间的周期函数都可以被扩展成傅里叶级数，就是用无限多个正弦函数和余弦函数的和表示，我们称这种分析方法为谐波分析。

2.1.2 分析方法

图2.1 谐波的产生

满足狄利克雷条件的，并以T为周期的时间的周期函数——，在连续点处，可用下面的傅里叶级数来表示：

(2-1)

上式称为的傅里叶级数，其中。

(2-2)

n为整数，n＞=0

(2-3)

n为整数，n＞=1

在断点处，下式成立：

(2-4)

为信号的直流分量。

令

为基波幅值，为n谐波的幅值。有时也称1次谐波的幅值。叫做零次谐波的幅值。

谐波分析非常重要。除了非正弦波里含有大量的谐波，其他的波形里也有很多的谐波。所以在倍频器、变频器里，就一定要进行谐波分析，对所以谐波所在进行分析；在乐器、音响、扩音器等等，同样要进行谐波分析。任何关于时间的周期函数都可以被扩展成傅里叶级数，就是用无限多个正弦函数和余弦函数的和表示。

（1）奇次谐波，指频率为基波频率的奇数倍的谐波；

对的函数，奇次谐波为0。

（2）偶次谐波，指频率为基波频率的偶数倍的谐波。

对的函数，偶次谐波为0；

2.1.3 测量方法

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