配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究本科畢業(yè)設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計說明書配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究DISTRIBUTIONNETWORKPOWERQUALITYDETECTIONANDTREATMENTRENEWONLINERESEARCH學(xué)院（部）：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：年月日配電網(wǎng)電能質(zhì)量的在線檢測與治理措置的研究摘要隨著電力電子技術(shù)、自動化技術(shù)、計算機技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，大功率非線性、沖擊性和波動性負(fù)荷不斷增長，比如大功率的變頻設(shè)備及拖動裝置、電氣化鐵路、電化工業(yè)的整流設(shè)備、電弧爐等，這些負(fù)荷導(dǎo)致了電網(wǎng)發(fā)生波形畸變（諧波）、電壓波動、閃變、三相不平衡、非對稱性，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量的嚴(yán)重減少。同時，基于計算機，微解決器控制的精密電子儀器在國民經(jīng)濟公司中大量使用，對供電質(zhì)量的敏感限度越來越高，對電能質(zhì)量提出了更高的規(guī)定，從而使電能質(zhì)量問題及其解決措施逐漸成為研究的熱點。要對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行改善，一方面要對電能質(zhì)量做出精確的檢測和分析，測量電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，并分析和判斷導(dǎo)致各種電能質(zhì)量問題的因素，為電能質(zhì)量的改善提供依據(jù)。電能質(zhì)量問題日益突出，電能質(zhì)量的監(jiān)測方式重要為在線監(jiān)測，對電能質(zhì)量的全天候、全方位準(zhǔn)確的實時監(jiān)測。在準(zhǔn)確、快速地檢測和分析電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提出了合理有效的治理措施，對有效提高供電可靠性，改善供電電能質(zhì)量，保證電力設(shè)備發(fā)揮正常性能水平等，對電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運營，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實驗的正常運營以及減少能耗等均具有非常重要的研究意義。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)，電能質(zhì)量，在線監(jiān)測DISTRIBUTIONNETWORKPOWERQUALITYDETECTIONANDTREATMENTRENEWONLINERESEARCHABSTRACTWiththepowerelectronicstechnology,automationtechnology,computertechnologyandotheradvancedtechnology,furtherdevelopment,high-powernonlinearloadimpactandincreasingvolatilityanddragequipment,electricrailway,electricityandchemicalindustriesrectifierequipment,inductionfurnace,electricarcfurnace,etc,whichcausedthepowergridloadwaveformdistortion(harmonic),voltagefluctuations,flicker,three-phasebalance,asymmetry,makingtheseriousdegradationofpowerquality.Meanwhile,computer-based,microprocessor-controlledprecisionelectronicinstrumentusedextensivelyinthenationalenterprise,thepowersupplyisbecomingmoresensitivetothequalityofthepowerqualityputforwardhigherrequirements,sothatthepowerqualityproblemsandtheirsolutionsmeasurestograduallybecomearesearchhotspot.Toimprovethequalityofgridpower,wemustfirstmakeanaccuratepowerqualitytestingandanalysis,measurementgridpowerquality,andtoanalyzeanddeterminethecauseofavarietyofpowerqualityproblemistoprovideabasistoimprovepowerquality.Powerqualityissueshavebecomeincreasinglyprominent,themainmodeofpowerqualitymonitoringfortheonlinemonitoringofpowerqualityall-weather,all-roundandaccuratereal-timemonitoring.Intheaccurateandrapiddetectionandanalysisofpowerqualitybasedonreasonableandeffectivegovernanceproposedmeasures,effectivelyimprovepowersupplyreliability,improvepowerqualitypowersupply,ensurethatthepowertoplayanormallevelofperformanceequipment,etc.onthepowergridsafety,economicoperationtoprotectthequalityofindustrialproductsandthenormaloperationofscientificexperimentsandreduceenergyconsumptionetc.isveryimportantsignificance.KEYWARDS:distributionnetwork,powerquality,onlinemonitoring目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1研究電能質(zhì)量的背景和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng) 11.2.2電能質(zhì)量治理措施 21.3本文的重要工作 32電能質(zhì)量理論 52.1電能質(zhì)量概述 52.1.1電能質(zhì)量的定義 52.1.2電能質(zhì)量的分類 52.2電能質(zhì)量指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn) 62.2.1電壓偏差 62.2.2頻率偏差 62.2.3諧波 62.2.4電壓波動和閃變 72.2.5三相不平衡 82.2.6暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 92.3本章小結(jié) 93電能質(zhì)量檢測分析算法 103.1基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法 103.1.1運算方式 103.1.2基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量 113.2基于小波分析的諧波檢測方法 113.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法 123.4基于傅里葉變換的諧波檢測方法 123.4.1傅里葉級數(shù) 123.4.2離散傅里葉變化(DFT) 133.4.3快速傅里葉變換(FFT) 143.4.4改善型復(fù)序列快速傅里葉變換(FFT) 153.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算 173.3本章小結(jié) 174配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究 184.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 184.1.2信號調(diào)理電路 194.1.3過零檢測電路 224.2DSP解決模塊 234.2.1DSP芯片選型及其具體介紹 234.2.2電源 264.3串口通信模塊 274.4鍵盤及液晶顯示模塊 274.4.1鍵盤電路 284.4.2液晶顯示電路 294.5本章小結(jié)305系統(tǒng)的軟件設(shè)計 315.1主程序設(shè)計 315.2采樣中斷程序設(shè)計 315.3測頻中斷服務(wù)子程序 325.4FFT及參數(shù)計算子程序 325.5液晶按鍵子程序 335.6RS485通信子程序 335.7本章小結(jié) 346電能質(zhì)量治理措施研究 356.1靜止無功補償裝置(SVC) 356.2靜止同步補償器(STATCOM) 366.3注入式混合型有源濾波器(IHAPF) 376.3.1注入支路參數(shù)對濾波效果的影響 386.4新型雙諧振注入式混合型有源濾波器(DIHAPF) 396.4.1DIHAPF諧波克制原理與諧波放大分析 406.4.2無功補償特性分析 416.4.3諧波檢測與控制方法 426.5本章小結(jié) 43總結(jié) 45參考文獻(xiàn) 46致謝 471緒論1.1研究電能質(zhì)量的背景和意義電能是當(dāng)今社會使用最廣泛的能源，其應(yīng)用限度標(biāo)志著一個國家的科技、經(jīng)濟發(fā)展水平。然而,隨著科技和社會的快速發(fā)展，電能的使用面臨著一個新的問題，那就是電能質(zhì)量狀況不斷惡化與社會對電能質(zhì)量的規(guī)定越來越高的矛盾。如何妥善地解決這個問題關(guān)系重大，因此成為了高校、公司、研究機構(gòu)和國家機關(guān)等部門關(guān)心的熱點問題。近年來我國電網(wǎng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模進(jìn)一步擴大。而隨著電網(wǎng)的不斷擴大，各種各樣的用電設(shè)備特別是大量的電力電子設(shè)備都接入了電網(wǎng)，使得電網(wǎng)的運營環(huán)境受到了不同限度的污染。從家用小容量的變流裝置，到工業(yè)上普遍應(yīng)用的調(diào)速電機、整流逆變裝置，甚至大規(guī)模的高壓直流輸電設(shè)備，都會向電網(wǎng)注入諧波。電網(wǎng)諧波含量的增長，會導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短、電網(wǎng)網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧振的也許性也會增長，也許引發(fā)繼電保護(hù)和自動裝置的非故障性動作，導(dǎo)致儀表指示和電能計量不準(zhǔn)確以及計算機、通信受干擾等一系列問題。此外，諸如軋鋼機、電力機車、開關(guān)電源等用電設(shè)備的開關(guān)與使用過程，也會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊性、波動性的負(fù)荷，并在運營和停運過程中產(chǎn)生電壓閃變以及導(dǎo)致三相不平衡度的提高，對電網(wǎng)設(shè)備和用戶導(dǎo)致直接或潛在的影響。另一方面，電力市場逐步完善，社會對電能質(zhì)量的規(guī)定也越來越高。特別是在半導(dǎo)體和精密儀器制造等特殊行業(yè)，電能質(zhì)量下降將直接影響其產(chǎn)品的成品率，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。近年來供電部門接受到的電能質(zhì)量投訴越來越多，表白電能質(zhì)量逐漸得到關(guān)注和重視。涉及當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展前景最佳的智能電網(wǎng)(SmartGrid)都是以滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量為重要特性?？梢婋娔苜|(zhì)量問題直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益，改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟運營，保障工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實驗以及人民生活的正常進(jìn)行均具有重要意義。為了保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運營，向用戶提供高品質(zhì)的電能，必須對影響電能質(zhì)量的眾多因素進(jìn)行綜合治理，改善各項電能質(zhì)量指標(biāo)，使其達(dá)成國標(biāo)規(guī)定的正常水平。而要提出合理的治理方案，就必須依賴于對電能質(zhì)量的全天候、全方位準(zhǔn)確的實時監(jiān)測與分析。因此，研發(fā)一種新型分層分布式的配電網(wǎng)電能質(zhì)量實時監(jiān)測與管理系統(tǒng)，集測量、通信、分析、管理等功能于一體，有效地進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采用合理、有效的電能質(zhì)量治理措施，改善其電能質(zhì)量狀況，對保證電網(wǎng)和廣大用戶的電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟運營，保障國民經(jīng)濟各行各業(yè)的正常生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)國外對電能質(zhì)量研究起步較早，從電能質(zhì)量理論到相關(guān)評價指標(biāo)體系的建立；從用戶終端電氣環(huán)境的定義到全國性的電能質(zhì)量普查和監(jiān)測；從各種電能質(zhì)量問題分析方法提出到“用戶電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)等方面的研究都在進(jìn)一步行。相對國外而言，國內(nèi)對電能質(zhì)量研究工作起步較晚，電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)研究也比較落后，特別是速度快、可靠性好、精度高以及功能強大的應(yīng)用產(chǎn)品相對較少。歸納起來,國內(nèi)外對電能質(zhì)量的監(jiān)測方法重要有以下三種類型:（l）設(shè)備入網(wǎng)前的專門測量：即對補償設(shè)備，在接入電網(wǎng)前,測量它們對電網(wǎng)電能質(zhì)量各項指標(biāo)的影響，決定是否投運。設(shè)備使用中的定期或不定期檢測：即針對普通電力干擾源，根據(jù)干擾大小、危害限度和技術(shù)需求等采用定期或不定期檢測的方式。實時監(jiān)測：也稱為連續(xù)監(jiān)測、全過程監(jiān)測、平常監(jiān)測或全天候監(jiān)測等。目前，國內(nèi)對電能質(zhì)量各項指標(biāo)的測量大多數(shù)還處在專門測量和定期或不定期檢測階段，沒有形成連續(xù)的實時監(jiān)測。在電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重并逐漸受到重視的現(xiàn)代社會，前兩種傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測方法顯然已經(jīng)不能滿足供用電雙方對電能質(zhì)量更高的監(jiān)測規(guī)定，其局限性之處重要表現(xiàn)在以下幾個方面:傳統(tǒng)的監(jiān)測方法不能實現(xiàn)或不能完全實現(xiàn)對電能質(zhì)量的實時監(jiān)測；傳統(tǒng)監(jiān)測方法的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能全面、準(zhǔn)確地反映出電力系統(tǒng)中電網(wǎng)的電能質(zhì)量信息；（3）傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測大多孤立地對某個站點進(jìn)行監(jiān)測，不能從整個系統(tǒng)的觀點來考慮電能質(zhì)量的監(jiān)測，不能滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動化的發(fā)展方向，并且人機交互性不好；（4）傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置多采用模擬元器件，受器件性能和信號解決方法的限制，測量精度往往不能達(dá)成規(guī)定；因此，研制一種實時在線的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，集測量、通信、分析和管理等諸多功能于一體，有效地進(jìn)行電能質(zhì)量監(jiān)測，對于電力系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性和可靠性具有重要意義。1.2.2電能質(zhì)量治理措施為了改善電能質(zhì)量，國內(nèi)外電力工作者和電力研究者們做了大量的研究，也研制出一系列的補償裝置。隨著高電壓、大容量電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，配電網(wǎng)諧波克制與無功補償電能質(zhì)量綜合治理裝置經(jīng)歷了無源濾波器(PassiveFilter:PF)、有源濾波器(ActivePowerFilter:APF)、靜止無功補償裝置(StaticVarCompensator:SVC)、靜止同步補償器(StaticSynchronousCompensator:STATCOM)、以及混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilter:HAPF)等不同的技術(shù)階段。無源濾波器(PF)既可補償諧波，又可補償無功功率，結(jié)構(gòu)簡樸、維護(hù)方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。這種方法的重要缺陷是濾波特性取決于電網(wǎng)參數(shù)，且易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，燒毀設(shè)備等，因此已不適合應(yīng)用于對電能質(zhì)量規(guī)定高的場合。與傳統(tǒng)的無源濾波器同樣，有源濾波器(APF)也是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。但是與無源濾波器不同的是，一臺APF理論上可以擁有無窮多個諧振頻率，從而可以同時治理頻率和幅值都變化的各次諧波，并且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而應(yīng)用逐漸廣泛。但是由于受功率器件容量的影響，APF可承受的容量不是很大，不適合單獨應(yīng)用于高電壓、大容量的場合。不同于無源濾波器和有源濾波器，靜止無功補償裝置(SVC)和靜止同步補償器(STATCOM)的重要功能是進(jìn)行無功補償，但是通過在SVC結(jié)構(gòu)中加裝無源濾波器組，或者通過合理設(shè)計STATCOM的控制方法，均可使兩者實現(xiàn)諧波克制與無功補償?shù)木C合治理。但是，SVC裝置中的晶閘管控制電抗器(ThirstierControlledReactor:TCR)自身會產(chǎn)生較大的諧波成分，從而使得整體濾波性能不佳；而高壓大功率STATCOM的工程化尚有很多問題沒有得到很好的解決，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用投資大。目前，諧波克制與無功補償電能質(zhì)量綜合治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器與無源濾波器組合形成的混合型有源濾波器(HAPF)，其優(yōu)點是成本低，濾波性能好，同時具有APF與PF的技術(shù)優(yōu)勢，性價比高。其中注入式混合型有源濾波器(HybridActivePowerFilterwithInjectionCircuit:IHAPF)由注入型APF與PF并聯(lián)混合得到，由注入支路電容和無源濾波器進(jìn)行無功功率的靜態(tài)補償，由有源和無源部分共同治理諧波，可以滿足大功率無功補償和諧波克制兩方面的規(guī)定，具有實際的工程應(yīng)用意義。1.3本文的重要工作 本論文對供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、公用電網(wǎng)諧波、電壓允許波動與閃變、三相電壓允許不平衡度等電能質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實時的在線監(jiān)測、分析和解決。為預(yù)先解決電網(wǎng)電能質(zhì)量故障隱患，事后分析事故因素和電能質(zhì)量問題綜合治理提供可靠保證。本文重要工作涉及：（1）查閱文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)了電能質(zhì)量定義、分類、指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)知識，結(jié)識到當(dāng)前電能質(zhì)量污染狀況，充足了解到電能質(zhì)量監(jiān)測方法的發(fā)展現(xiàn)狀。（2）分析對比了各種諧波檢測分析算法的優(yōu)勢、劣勢和合用場合，選出一種諧波檢測算法。（3）完畢了電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計。根據(jù)各部分實現(xiàn)的不同功能，將系統(tǒng)分為四個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、DSP解決模塊及外圍電路模塊、串口通信模塊、鍵盤及液晶顯示模塊。闡述了這四個模塊的原理，分析了各模塊的實現(xiàn)方法。完畢了系統(tǒng)軟件的設(shè)計和各軟件模塊的實現(xiàn)。分析了各軟件模塊的原理，完畢了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解決、數(shù)據(jù)顯示的程序設(shè)計。（4）研究電能質(zhì)量的治理措施，分析了三種常用治理措施的優(yōu)缺陷，并針對注入式混合型有源濾波器(IHAPF)注入支路存在諧波注入能力與無功過補的矛盾，提出了一種新型的雙諧振混合型有源濾波器(DIHAPF)，并分析了其諧波克制原理、諧波放大情況、無功補償特性和諧波檢測與控制方法等關(guān)鍵技術(shù)。2電能質(zhì)量理論2.1電能質(zhì)量概述很長一段時間以來，我國的電力供應(yīng)一直不富余，因此以前供用電雙方關(guān)注的焦點重要是在供應(yīng)量的方面，除了對電能質(zhì)量有較高規(guī)定的行業(yè)需求外，大都對電能質(zhì)量關(guān)心較少，即使關(guān)注也只限于電壓、頻率兩個指標(biāo)。隨著發(fā)電公司的不斷新建和擴容，以及電網(wǎng)規(guī)模的逐漸增大，電力供應(yīng)緊張的局面有了較大緩解。然而大量電力電子器件在電網(wǎng)中的不斷投入導(dǎo)致電能質(zhì)量問題日益突出，同時電力市場技術(shù)不斷進(jìn)步，用戶對電能質(zhì)量的規(guī)定也越來越高，從而引起了電網(wǎng)公司各級部門以及電力用戶的高度重視，其重視限度從最近國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司都將“為用戶提供優(yōu)質(zhì)電力”作為其發(fā)展智能電網(wǎng)的一個重要指標(biāo)就可見一斑。2.1.1電能質(zhì)量的定義什么是電能質(zhì)量，迄今為止，人們對電能質(zhì)量的技術(shù)含義還存在著不同的結(jié)識，不同的機構(gòu)也對電能質(zhì)量有不同的定義。國際電工委員會(InternationalElectricalCommission:IEC)將電能質(zhì)量定義為“供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶合用電力的物理性”。美國電氣和電子工程協(xié)會(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers:IEEE)將電能質(zhì)量明擬定義為“合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)立的接地系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備工作的”，并正式采用“powerquality”這一專業(yè)術(shù)語。此外，在許多電能質(zhì)量領(lǐng)域的技術(shù)報告和文獻(xiàn)中也采用了其它的一些術(shù)語和補充定義。它們涉及:(1)電壓質(zhì)量，通過將實際電壓與抱負(fù)電壓進(jìn)行對比，以判斷供電部門向用戶供應(yīng)的電力是否存在偏差，是否合格。(2)電流質(zhì)量，為了反映與電壓質(zhì)量有緊密關(guān)系的電流變化，除了對用戶取用電流提出恒定頻率正弦波形規(guī)定除外，還力圖使該電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運營。(3)供電質(zhì)量，技術(shù)含義上重要是指電壓質(zhì)量和供電可靠性，同時也涉及供電部門對用戶投訴與抱怨的反映速度、服務(wù)質(zhì)量以及電力價格的透明度等非技術(shù)方面的含義。(4)用電質(zhì)量，涉及電流質(zhì)量和非技術(shù)含義。非技術(shù)含義反映用電方的權(quán)利、義務(wù)和責(zé)任，如電力用戶是否按期、如數(shù)繳納電費等。2.1.2電能質(zhì)量的分類根據(jù)相關(guān)的六個國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》（GB/T12325-2023)、《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T15945-1995)、《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993)、《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》(GB/12326-1990)、《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)、《電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》(GB/T18481-2023)、可將電能質(zhì)量劃分為：供電電壓允許偏差、電力系統(tǒng)頻率允許偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相電壓不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓六個方面。2.2電能質(zhì)量指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)2.2.1電壓偏差電壓偏差是指供電系統(tǒng)在正常運營條件下，實際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的偏差。常用兩者的偏差值對系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行度量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（2.1）式（2.1）中為電壓偏差；表達(dá)實際電壓kV；表達(dá)標(biāo)稱電壓kV。國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》(GB/T12325-2023)對我國的供電電壓作了具體規(guī)定：(l)電壓等級大于等于35kV的供電電壓的正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的10%。(2)電壓等級小于等于1OkV的三相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的7%；(3)低壓220V單相供電電壓允許偏差為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的+7%和-10%。2.2.2頻率偏差頻率偏差是指標(biāo)稱頻率為50Hz處在正常運營方式的電力系統(tǒng)中,系統(tǒng)頻的實際值與標(biāo)稱值之差計算公式為（2.2）式（2.2）中占表達(dá)頻率偏差，表達(dá)實際頻率，表達(dá)系統(tǒng)標(biāo)稱頻率，它們單位為Hz。國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率允許偏差》(GB/T15945-1995)規(guī)定我國電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz，當(dāng)系統(tǒng)容量較小時，偏差值可以放寬到0.5Hz。2.2.3諧波諧波是有電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷產(chǎn)生的。諧波的危害較為嚴(yán)重，不容忽視，重要表現(xiàn)在以下幾方面:(l)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，減少了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。(3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，就使上述(1)和(2)的危害大大增長，甚至引起嚴(yán)重事故。(4)諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，減少通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測量方法，合用于交流頻率為50Hz，額定電壓110kV及以下的公用電網(wǎng)，6至220kV各級公用電網(wǎng)電壓（相電壓）總諧波畸變率0.38kV為5%，6至10kV為4%，35至66kV為3%，110kV為2%。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)保證各級電網(wǎng)諧波電壓在限值范圍內(nèi)，所以國標(biāo)規(guī)定各級電網(wǎng)諧波源產(chǎn)生的電壓總諧波畸變率是：0.38kV為2.6%，6至10kV為2.2%，3至66kV為1.9%，110kV為1.5%。對220kV電網(wǎng)及其供電的電力用戶參照本標(biāo)準(zhǔn)110kV執(zhí)行。2.2.4電壓波動和閃變電壓波動重要是由于大量沖擊性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的廣泛使用而引起的，是指電壓包絡(luò)線有規(guī)則的變化或一系列隨機電壓變動，常用一系列電壓均方根值中相鄰的兩個極值之差與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的相對比例來表達(dá)，即（2.3）式（2.3）中，、分別為一系列電壓均方根值中相鄰的極大值和極小值；為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。負(fù)荷電流的大小呈現(xiàn)快速變化時，也許引起電壓的波動，簡稱為閃變，閃變術(shù)語來自電壓波動對照明的視覺影響。從嚴(yán)格的技術(shù)角度講，電壓波動是一種電磁現(xiàn)象，而閃變是電壓波動對某些用電負(fù)荷引起的有害結(jié)果，不屬于電磁現(xiàn)象。但是，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中常將這兩個術(shù)語合為一體進(jìn)行討論，并且常將限制發(fā)生閃變干擾排在首位。表2-1國家電能質(zhì)量有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)編號標(biāo)準(zhǔn)名稱允許限值GB12325—90供電電壓允許偏差（1）35kV及以上為正負(fù)偏差絕對值之和不超過10%；（2）10kV及以下三相供電為±7%；（3）220V單相供電為+7%，-10%。GB12326—90電壓允許波動和閃動電壓波動:(1)10kV及以下2.5%；(2)35～110kV為2%；(3)220kV及以上1.6%。閃變∶(1)對照明規(guī)定較高，0.4%(推薦值);(2)一般照明負(fù)荷0.6%(推薦值)GB/T14549—93公用電網(wǎng)諧波各級電網(wǎng)諧波電壓限值(%)電壓(kV)THD奇次偶次0.3854.02.06、1043.21.635、6632.41.211021.60.8(220kV電網(wǎng)參照110kV執(zhí)行)GB/T15543—95三相供電電壓允許不平衡度正常允許2%，短時不超過4%；(2)每個用戶一般不得超過1.3%。2.2.5三相不平衡電力系統(tǒng)中的三相電壓不平衡重要是由負(fù)荷不平衡，系統(tǒng)三相阻抗不對稱以及消弧線圈的不對的調(diào)諧等引起的。根據(jù)對稱分量法，三相系統(tǒng)中的電量可分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量三個對稱分量。電力系統(tǒng)在正常運營方式下，電量的負(fù)序分量均方根值與正序分量均方根值之比定義為該電量的三相不平衡度，用表達(dá)，公式為（2.4）式（2.4）中、分別為電壓正序、負(fù)序分量均方根值，kV。國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》(GB/T15543-1995)規(guī)定電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度不得超過2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般不得高于1.3%。2.2.6暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓電力系統(tǒng)中的過電壓現(xiàn)象大多數(shù)是由于運營操作、雷擊和故障引起的，是經(jīng)常發(fā)生和不可避免的,是供電特性之一。暫時過電壓是指在電網(wǎng)給定點上連續(xù)時間較長的不衰減或者弱衰減的振蕩過電壓。瞬態(tài)過電壓是指僅連續(xù)數(shù)毫秒或更短時間，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓，可以疊加于暫時過電壓之上。國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》(GB/T18481-2023)規(guī)定了交流電力系統(tǒng)中作用于電氣設(shè)備的暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓的具體規(guī)定、電氣設(shè)備的絕緣水平，以及過電壓保護(hù)方法，不合用于因靜電、觸及高壓系統(tǒng)以及穩(wěn)態(tài)波形畸變(諧波)引起的過電壓。2.3本章小結(jié)本章簡要介紹了電能質(zhì)量的概念與分類，分析了影響電能質(zhì)量的因素及其危害；然后分別給出了電壓偏差、頻率偏差、電網(wǎng)諧波、三相不平衡、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量指標(biāo)的定義、危害及其國家標(biāo)準(zhǔn)。3電能質(zhì)量檢測分析算法電能質(zhì)量歸納起來重要涉及6個方面:電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓。其中諧波分析是電能質(zhì)量中最重要，也是分析最困難的一個指標(biāo)，假如可以實時動態(tài)地監(jiān)測電網(wǎng)中諧波的情況，可以更好地判斷和分析其他電量的情況，因此本節(jié)重點討論電網(wǎng)諧波的檢測與分析算法。目前，常用的諧波檢測方法，根據(jù)測量原理的不同，重要有以下幾類。3.1基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法瞬時無功功率理論最早于20世紀(jì)80年代由赤木泰文提出,在許多方面得到了成功應(yīng)用。赤木最初提出的理論以瞬時實功率和瞬時無功功率的定義為基礎(chǔ)，后來又補充定義了瞬時有功電流和瞬時無功電流。瞬時無功功率理論開始重要應(yīng)用于三相電路諧波檢測中，目前在電力濾波器中應(yīng)用最多。瞬時無功功率理論重要有兩種計算方式，以計算和為出發(fā)點的稱為法,以計算稱為法。兩種方法都能較為準(zhǔn)確地檢測出對稱三相電路的諧波含量，實時性也較好。但是,按運算方式測量時，由于只需讀取和參與運算即可，畸變電壓的諧波成份不會出現(xiàn)在運算中，因而在不對稱電網(wǎng)中或者電源電壓畸變的情況下也能準(zhǔn)確檢測出諧波電流，合用范圍更寬；而法在這種情況下則誤差較大，合用范圍相對較窄。3.1.1運算方式該方法的原理如圖3.1所示。圖3.1運算方式的原理圖其中，=，=。該方法中，需用到與相電壓同相位的正弦信號和相應(yīng)的余弦信號-，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生器電路得到。根據(jù)定義可以計算出、，經(jīng)LPF濾波得到出、的直流分量稱、。這里，、是由、、產(chǎn)生的，因此由、通過矩陣即可計算出、、，然后被、、相減即可計算出、、。、按運算方式檢測時，由于只需取、-參與計算,畸變電壓的諧波成份在運算過程中沒有出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測結(jié)果是準(zhǔn)確的。3.1.2基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量上述方法所測的是諧波總量，而并非具體某一次的諧波含量，而基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波檢測法在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上可以檢測出具體的某次諧波含量，基本思想如圖3.2所示：圖3.2基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量原理本方法的測量原理是：一方面通過基波分離電路將基波分離出來，然后按諧波次數(shù)的順序，逐步分離出各次諧波，其中將基波檢測出來的方法和基于、運算方式的檢測方法同樣。比較運算方式和基于倍頻旋轉(zhuǎn)變換的諧波測量方式可知，第一種方法對于測量基波分量和總體諧波含量具有良好的實時性，但是無法測量具體某次諧波的含量；第二種方法雖然可以測量出單次的諧波含量，但是硬件復(fù)雜，成本較高，實現(xiàn)起來也比較繁瑣。3.2基于小波分析的諧波檢測方法小波變換是當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展起來的新領(lǐng)域。通過十?dāng)?shù)年的探索與研究，其重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎(chǔ)更加堅實。與傅里葉變換相比，小波變換是時域和頻域的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能可以對函數(shù)或信號進(jìn)行多尺度的細(xì)化分析，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時域毫無局部性的缺陷。小波變換在時域和頻域同時具有局部性，可以計算出特定期間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號分解成為不同頻率的信號塊，因而通過小波變換可較準(zhǔn)確地計算出基波電流，進(jìn)而求得諧波含量。小波變換對波動諧波、快速變換諧波的檢測有很大的優(yōu)越性，目前是波動諧波、快速變化諧波的重要檢測方法。但是，由于小波變換的研究時間相對較短，在諧波檢測方面應(yīng)用還比較少，并且還存在著諸如缺少系統(tǒng)規(guī)范的最佳小波基的選擇方法等很多不完善的地方，從而使得小波變換算法在計算機和信號解決芯片中的應(yīng)用受到限制。特別是信號解決芯片，其資源非常有限，主線不適合最佳小波基選取的各種運算和判斷。3.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是智能控制技術(shù)的重要分支之一，通過模擬人類思維進(jìn)行運算，具有本質(zhì)的非線性特性、并行解決能力、強魯棒性和自組織自學(xué)習(xí)能力，因此受到人們的普遍關(guān)注。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究內(nèi)容相稱廣泛，反映了多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域的特點，將其應(yīng)用于諧波測量中，將會有很好的發(fā)展前景。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實時檢測任意整數(shù)次諧波，對基波電流的跟蹤在一個周期內(nèi)就可以達(dá)成良好的效果，因此這種方法在精度和實時性方面有較好的特性。但這種算法需要大量的訓(xùn)練樣本，需要一定的時間來訓(xùn)練這些樣本，并且如何擬定需要的樣本數(shù)也沒有規(guī)范方法，屬于目前正在研究的新方法，研究和應(yīng)用時間相對較短，實現(xiàn)技術(shù)尚需完善，在工程應(yīng)用中尚未優(yōu)先選用。3.4基于傅里葉變換的諧波檢測方法在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中，變換域分析法是一種有效的方法，起到了重要的作用。傅里葉變換法是其中應(yīng)用最廣泛的一種，而在工程上又以快速傅里葉變換(FFT)算法應(yīng)用最為廣泛。FFT測量諧波精度高、功能多、使用方便，與其他測量方法相比，目前合用范圍最廣泛,理論和技術(shù)最成熟，在諧波測量的應(yīng)用中具有不可替代的作用，并且在數(shù)字信號解決器(DSP)中更容易實現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)選用快速傅里葉變換算法作為監(jiān)測終端中進(jìn)行諧波檢測與分析的方法。3.4.1傅里葉級數(shù)當(dāng)輸入信號為周期函數(shù)或者可近似作為周期函數(shù)解決時，且滿足狄里赫利條件(電力系統(tǒng)信號基本上均滿足)，則它可被分解為一個各種頻率的正弦函數(shù)序列之和，即傅里葉級數(shù)，其三角級數(shù)形式為（3.1）式（3.1）中其中，，=在式（3.1）的傅立葉級數(shù)中，頻率為的分量稱為基波，頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)即為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。3.4.2離散傅里葉變化(DFT)為了從理論上的傅里葉級數(shù)分析過渡到電力系統(tǒng)實際波形實用而快速的諧波分析，需要運用傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式，直接計算各次諧波的幅值和相位。由歐拉公式（3.2）解出和，式（3.2）的傅立葉級數(shù)三角形式可化為（3.3）則可得（3.4）事實上，電力系統(tǒng)的非正弦周期波都是不規(guī)則的畸變波形，無法表達(dá)成函數(shù)解析式后用上述傅立葉級數(shù)進(jìn)行計算。一種常用的方法是對該種波形的時間連續(xù)信號用采樣裝置進(jìn)行等間隔采樣，并把采樣值依次轉(zhuǎn)換成數(shù)字序列，然后借助計算機進(jìn)行快速諧波分析。連續(xù)波形轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字序列后，上述對于連續(xù)函數(shù)的傅立葉級數(shù)計算式可相應(yīng)轉(zhuǎn)換成離散化的計算式，做近似計算。對公式(3.4)進(jìn)行離散化解決：對信號進(jìn)行每周波均勻采樣N點；式中連續(xù)函數(shù)代以離散序列；,即用離散點代替連續(xù)點；，即用的有限增量代替其趨近于零的極限值；相應(yīng)的定積分用被積元素的累加和代替。則公式（3.4）的離散形式為（3.5）令，則（3.6）上式(3.6)即稱為離散傅里葉變換（DFT)。 3.4.3快速傅里葉變換(FFT)在工程實際中，若直接用離散傅里葉變換(DFT)進(jìn)行計算，當(dāng)采樣點很多時，計算量很大，并且DFT的效率很低。研究可以發(fā)現(xiàn)，具有周期性和對稱性，即（3.7）因此，可以考慮將長序列DFT運用其對稱性和周期性分解為短序列DFT。由于DFT的運算量與成正比，假如一個大點數(shù)的DFT能分解為若干個小點數(shù)DFT的組合，則顯然可以達(dá)成減少運算量的效果，這種方法稱之為快速傅里葉變換(FFT)。但是快速傅里葉變換(FFT)也有它自身的缺陷，重要表現(xiàn)在以下兩個方面。(1)在采樣過程中，假如采樣頻率和信號頻率不同步或者無法達(dá)成整數(shù)倍的關(guān)系，使用該方法會產(chǎn)生頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，導(dǎo)致計算出的信號參數(shù)不準(zhǔn)確，特別是相位的誤差很大，無法滿足測量規(guī)定；(2)計算量較大，計算時間比較長，從而使得檢測時間較長，檢測結(jié)果實時性較差。 3.4.4改善型復(fù)序列快速傅里葉變換(FFT)鑒于傳統(tǒng)FFT存在著上述局限性，本系統(tǒng)對其進(jìn)行一些技術(shù)改善，以適應(yīng)系統(tǒng)實際需求。一方面針對第一個問題，鑒于頻譜泄露和柵欄效應(yīng)都是由于采樣頻率與信號頻率不同步導(dǎo)致的，所以本系統(tǒng)采用鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop:PLL)使信號頻率與采樣頻率同步。鎖相環(huán)作為一種重要的功能電路，在通信、控制、導(dǎo)航、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和分頻器4個部分組成，是一個自動跟蹤相位的負(fù)反饋系統(tǒng)。圖3.3鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖鑒相器的功能是將兩個輸入信號和的相位轉(zhuǎn)成脈沖寬度信號，經(jīng)低通濾波器平滑后，成為直流電壓信號。壓控振蕩器是一種輸出振蕩頻率受輸入直流電壓控制的振蕩器。當(dāng)和有相位差變化時，使振蕩頻率變化，最后使輸入和壓控振蕩器的輸出信號頻率之差為零。即輸出信號的頻率始終與輸入信號頻率保持一致。采用鎖相環(huán)有較好的實時性，不用在軟件中增長計算量，因此系統(tǒng)在硬件設(shè)計中采用了鎖相環(huán)同步電路，基本上解決了頻譜泄露和柵欄效應(yīng)的問題。針對第二個關(guān)于實時性較差的問題，并考慮減少計算量和減輕編程難度，本文在實際進(jìn)行FFT運算時，將兩個同長度的電壓、電流實序列信號組合為一個復(fù)序列信號進(jìn)行FFT運算，這樣就可一并得出電壓和電流頻譜結(jié)果，即基于復(fù)序列的FFT算法，復(fù)序列FFT算法推導(dǎo)過程如下:取電網(wǎng)兩個實序列信號，，令（3.8）可以得出 （3.9）的傅里葉變換為（3.10）其中和，和分別為、的實部和虛部。的傅里葉變換為（3.11）由式（3.11）得（3.12）根據(jù)傅里葉變換的周期性和奇偶對稱性，可知實序列的傅里葉變換的實部為偶數(shù)，虛部為奇數(shù)?？傻?3.13)對式(3.13)進(jìn)行傅里葉變換，并考慮其復(fù)共扼性質(zhì)，可得，的頻譜為（3.14）式中，為的共軛復(fù)數(shù)。將式（3.14）按實部、虛部展開后得（3.15）設(shè)為被測電壓信號的第次諧波，為被測電流信號的第次諧波，則（3.16）由以上推導(dǎo)可得出各次諧波電壓和電流的幅值為（3.17）其中，。3.4.5其它電能質(zhì)量參數(shù)的計算由上述公式(3.15)、(3.16)、(3.17)可以推算出各次諧波的復(fù)功率、有功功率和無功功率為（3.18）(3.19)（3.20）根據(jù)以上的計算結(jié)果，可得電壓有效值、電流有效值、諧波電壓總畸變率、諧波電流總畸變率、有功功率、無功功率及功率因數(shù)為（3.21） 式中L為已知諧波的最高次數(shù)。3.3本章小結(jié)本章介紹諧波監(jiān)測的分析方法，重點講述了目前針對諧波檢測，技術(shù)先進(jìn)或技術(shù)成熟的四種分析方法，即瞬時無功功率理論、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傅里葉變換，分析了它們的優(yōu)點、缺陷和合用范圍。鑒于快速傅里葉變換(FFT)諧波檢測方法技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，功能多，精度高，且在數(shù)字信號解決器(DSP)中易于實現(xiàn)，本系統(tǒng)采用FFT法作為諧波檢測方法，并針對傳統(tǒng)FFT法存在頻譜泄露、柵欄效應(yīng)及計算量大等缺陷，對其進(jìn)行了技術(shù)改善，然后以此作為本系統(tǒng)諧波檢測分析的算法。4配電網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件系統(tǒng)重要有四個模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集模塊，DSP核心解決模塊，串口通信模塊，鍵盤及液晶顯示模塊。根據(jù)實際需要，設(shè)計系統(tǒng)硬件連接框圖如圖4.1。圖4.1系統(tǒng)硬件框圖各模塊功能及工作流程為：在數(shù)據(jù)釆集模塊中，將待測交流信號經(jīng)互感器隔離、轉(zhuǎn)換。其中，電壓互感器將電網(wǎng)中一次的電壓互感器的100V交流電壓信號和轉(zhuǎn)換成為峰值為電壓信號，電流互感器將電網(wǎng)中的一次電流互感器的5A（1A）交流電流信號轉(zhuǎn)換成為峰值為電壓信號。由于這種從傳感器出來的低壓信號中混雜了噪聲，為保證系統(tǒng)具有較高精度，因此還需要用信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行偏置、調(diào)制成DSP可以接受的信號，以滿足AD轉(zhuǎn)換的規(guī)定。（2）將釆集到的信號送入進(jìn)行實時解決，計算出各電能質(zhì)量參數(shù)，通過RS485通信模塊將數(shù)據(jù)傳送。電源模塊給系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源，保證系統(tǒng)多電平電路正常工作等。鍵盤及液晶屏是人機交互的接口，實時顯示電能質(zhì)量信息。鍵盤用于控制顯示各種界面，通過菜單功能，方便進(jìn)行顯示界面的切換。液晶屏與進(jìn)行通信，用于顯示三相相電壓有效值、線電壓有效值、正序電壓有效值、負(fù)序電壓有效值、零序電壓有效值、頻率等參數(shù)。4.1.1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集的精確度直接影響到系統(tǒng)的性能，其設(shè)計關(guān)鍵是要實現(xiàn)數(shù)字/模擬混合電路與的無縫連接，以保證數(shù)據(jù)的吞吐量。數(shù)據(jù)采集模塊又可分為以下四個部分組成：互感器電路、信號調(diào)理電路、過零檢測電路、AD數(shù)模轉(zhuǎn)換。（1）互感器電壓互感器與電流傳感器的作用重要有：對電壓和電流進(jìn)行變換，使儀表與主回路隔離，以保證操作的安全。由于檢測的是電網(wǎng)電壓，通常在220V左右，為了使得互感器的電壓輸入在較大范圍內(nèi)變換，本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓互感器系列VSM025A型和電流互感器系列CS040G型，這類互感器的副邊可以精確的反映原邊待測信號。本設(shè)計需要測量32次諧波，需要測得信號的最髙頻率為1.6KHz,因此要保證其測量精度，選用的互感器必須在信號最高諧波頻率范圍內(nèi)。本設(shè)計所選用的互感器信號頻率范圍為DC-20KHz，可以保證所有的精度，完全適合于本系統(tǒng)的規(guī)定。1）電壓互感器在隔離條件下，VSM025A型電壓傳感器是霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的電壓傳感器。具有線性好、精度高、工作范圍高、電路簡樸可靠等優(yōu)點，可以測量直流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓，適合測量的電壓。本文中的VSM025A型電壓傳感器將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成為1V的交流電壓，VSM025基本電氣參數(shù)如表4.1所示。表4.1VSM025基本電氣參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)額定輸入電壓250V額定輸入電流10mA額定輸出電壓R44的大小決定額定輸出電流25mA變比2500:10輸入端：測量電壓時，電阻R43應(yīng)串聯(lián)在互感器原邊回路上，輸入電流精度受限流電阻R43的影響，選擇R43大小的原則是盡量使得輸入電流為10mA，這樣才干使互感器達(dá)成最佳精度。為保證測量電阻的穩(wěn)定性和可靠性，R43的功率通常情況下應(yīng)為額定功率的4倍以上，即10W以上。本文中，采用4個的電阻串聯(lián)得到，原邊線圈內(nèi)阻為190，R43的功率為。輸出端：電壓傳感器輸出的是電流，但是模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊規(guī)定輸入的信號一般為電壓信號，因此需要通過R44將電流轉(zhuǎn)化成電壓信號，本文中R44取值為，原理圖如圖4.2所示。2）電流互感器在隔離條件下CS型電流互感器具有測量電流電壓一次變換到位，直接將被測電流隔離轉(zhuǎn)換成電壓，電路設(shè)計簡樸可靠等優(yōu)點。型電流互感器在本文中的功能是將交流A的電流轉(zhuǎn)換成為交流的電壓，其參數(shù)如表表4.2CSO4OG基本電氣參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)額定輸入電流40A額定輸出電壓1V變比500:1該互感器是電流電壓轉(zhuǎn)換器，可以測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流，通過感應(yīng)原邊的電流產(chǎn)生副邊電壓。使用該互感器的時候，一方面接通副邊電源，再接通原邊。值得注意的是，錯誤的接線將會導(dǎo)致互感器損壞，次級回路嚴(yán)禁開路，否則將損壞儀器，同時輸入端不能短路，否則會增長電流誤差。其原理圖如圖4.3所示。圖4.2電壓互感器原理圖4.3電流互感器原理圖4.1.2信號調(diào)理電路互感器電路出來的信號是雙極性交流信號，而TMS320F2812內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換規(guī)定其模擬輸入為0-3V的單極性信號，因此，還需要在互感器和A/D轉(zhuǎn)換器之間添加信號調(diào)理電路，將電壓轉(zhuǎn)化為0-3V的單極性信號。采用圖4.4電源模塊對比例放大器進(jìn)行-12V到+12V供電。對圖4.4中的各元器件進(jìn)行介紹說明：D315、D316起防反接的作用；C313、C315是電解電容，起支撐直流電壓的作用，并可濾除紋波；C314、C316是交流濾波電容，可濾除交流高次諧波。圖4.4比例放大供電電路圖電壓和電流互感器輸出的信號較小，而TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊可接受的電壓信號為0-3V。為充足運用AD轉(zhuǎn)換模塊，需對輸入信號進(jìn)行解決。信號調(diào)理電路如圖4.5所示，R17、R18是可調(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)兩個可調(diào)電阻的阻值能改變電路的放大倍數(shù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出信號的電壓范圍；D7、D8是起輸入保護(hù)作用，使運放與外設(shè)連接時，有電纜等注入高電壓脈沖噪聲，若這種噪聲超過運放的據(jù)對最大額定值，則內(nèi)部寄生二極管導(dǎo)通，運算放大器會被破壞，這時添加D7、D8這種二極管盼望選用正向電壓降比寄生二極管低的肖特基二極管。DW3、DW4、R21起輸出限幅保護(hù)作用，即輸入端電壓超過-1V到+1V時。輸出電壓-dsp的幅值將被限制在0V到3.3V之間。圖4.5信號調(diào)理電路圖4.1.3過零檢測電路加入過零檢測電路即方波電路，將電壓信號變成同頻率的方波信號，DSP通過捕獲上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，以保證同步采樣。具體檢測電路如圖4.6所示，D19是穩(wěn)壓管，為3.3V，起保護(hù)作用。當(dāng)大于0時，輸出高電平；當(dāng)小于0時，輸出低電平。通過TMS320F2812的引腳CAP1捕獲方波的上升沿，設(shè)第一次捕獲技術(shù)值為CONT1，第二次捕獲計數(shù)值為CONT2，捕獲單元時鐘基準(zhǔn)為CLK，則頻率的計算公式為: (4.1)圖4.6過零檢測電路圖4.2DSP解決模塊4.2.1DSP芯片選型及其具體介紹本設(shè)計的核心芯片采用TI公司的TMS320F2812芯片。TMS320F281x系列解決器是美國德州儀器公司（TexasInstruments)推出的高性能數(shù)字信號解決器，該系列解決器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點數(shù)字信號解決器，集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，為控制領(lǐng)域提供了良好的平臺。芯片采用32位中央解決器，大大提高了系統(tǒng)的運算解決能力，可在150MHz(時鐘周期6.67ns)下工作，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于2023系列的其他DSP。F2812數(shù)字信號解決器是在F24x的基礎(chǔ)上開發(fā)的32位高性能定點芯片，兼容24x指令系統(tǒng)，可以直接運營在24xDSP上開發(fā)的程序。其重要特點:采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻可達(dá)150MHz(時鐘周期6.67ns)，低功耗設(shè)計，F(xiàn)LASH編程電壓為3.3V。高性能的32位CPU，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行16x16位和32x32位的乘累加運算；快速中斷響應(yīng)和解決能力，統(tǒng)一尋址模式，高效的代碼轉(zhuǎn)換功能（支持C/C++和匯編編程)；同時與TMS320F24x/F240x系列數(shù)字信號解決器代碼兼容。片內(nèi)集成大容量存儲器，128Kxl6bit的Flash，兩塊4Kxl6bit的單周期訪問SARAML0和L1；一塊8Kxl6bit的單周期訪問SARAMH0；兩塊lKxl6bit的單周期訪問SARAMM0和Ml。外部存儲器擴展接口，最大可擴展lMxl6bit的存儲空間；可編程等待周期、讀寫時序；3個獨立的片選信號，擴展方便。兩個事件管理器模塊EVA和EVB，每個均涉及如下資源：兩個16位通用定期器；8個16位的脈寬調(diào)制（PWM)通道，可以實現(xiàn)三相反相器控制、PWM的中心或邊沿校正及當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時快速關(guān)閉PWM通道；防止擊穿故障的可編程PWM死區(qū)控制；對外部事件進(jìn)行定期捕獲的3個捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；事件管理器模塊合用于控制交流異步電動機、無刷直流電動機、開關(guān)磁阻電動機、步進(jìn)電動機、多級電動機和逆變器。12bit的ADC流水線模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，2個采樣保持電路，2x8通道復(fù)用輸入接口，轉(zhuǎn)換周期最小60ns，單通道轉(zhuǎn)換周期為200ns。增強型eCAN2.0B接口模塊及UART，SPI，McBSP串行通訊接口。多達(dá)56個可配置通用I/O引腳。本系統(tǒng)所用的DSP芯片如圖4.7所示。圖4.7TMS320F2812DSP芯片TMS320F2812DSP的功能方塊圖如圖4.8所示。圖4.8DSP功能方塊圖模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(Analog-to-DigitalConverter,ADC)模塊圖4.9為ADC模塊。它可以提供DSP控制器與現(xiàn)實世界的鏈接通道，通過ADC單元可以測量如電壓、電流、溫度、速度等模擬量。具體介紹如下：

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊有模擬電路和數(shù)字電路兩個部分。模擬電路重要涉及模擬多路復(fù)用開關(guān)（MUX）、采樣/保持（S/H）電路、AD轉(zhuǎn)換內(nèi)核、電壓參考以及其他輔助模擬電路；數(shù)字電路重要涉及可編程轉(zhuǎn)換序列器、結(jié)果寄存器（RESULTn）、與外設(shè)總線的接口、與模擬電路的接口及與其他片上模塊的接口。該ADC模塊具有12位的精度，16個轉(zhuǎn)換通道，通過編程能以流水線形式工作，可將16個通道配置成2個獨立的8位通道（可以自動排序），分別服務(wù)于事件管理器A(EVA)和事件管理器B（EVB），可通過模擬電路復(fù)用開關(guān)(MUX)選擇8路通道中的任何通道。同樣，2個獨立的8路通道也可級聯(lián)成1個16路通道，這種方式稱為級聯(lián)模式。ADC模塊的具體特點如下：（1）具有12位精度。（2）具有2個采樣/保持（S/H）器，S/H采樣時間窗口有獨立的預(yù)定標(biāo)控制。（3）采樣模式：同時或順序。（4）輸入模擬電壓范圍為0-3V。（5）具有快速轉(zhuǎn)換時間，ADC時鐘可配置為25MHz，最高采樣帶寬為12.5MSPS。（6）16路模擬輸入通道。（7）自動排序器允許對任一通道進(jìn)行多次采樣，可通過采樣法來提高采樣精度。（8）排序器工作方式：2個獨立的8路通道模式和16路通道級聯(lián)模式。排序器可工作在啟動/停止模式，可允許“多個排序觸發(fā)”同步轉(zhuǎn)換。（9）16個結(jié)過寄存器用于存放ADC轉(zhuǎn)換結(jié)過，RESULTn中存放的數(shù)字量可表達(dá)為：（4.2）（10）具有4種啟動ADC的方式：S/W-軟件啟動，EVA中多個事件源可啟動，EVB中多個事件源可啟動，外部引腳啟動。其中EVA和EVB可獨立觸發(fā)，也可工作在雙觸發(fā)模式。（11）中斷控制靈活，可允許每個或者每隔一個序列轉(zhuǎn)換結(jié)束后產(chǎn)生中斷請求。（12）具有增強的重疊排序器功能。內(nèi)置AD模塊如圖4.9所示圖4.9內(nèi)置AD模塊方塊圖串行通訊接口(SerialCommunicationsInterface,SCI)模塊F2812如圖4.9所示，包含兩個串行通訊接口(SCI)模塊，SCI模塊提供了DSP與其它標(biāo)準(zhǔn)non-return-to-zero(NRZ)格式的異步外圍之間的數(shù)字通訊。SCI的接受者和傳輸者皆采用雙總線模式(Double-Buffered)，每一個皆有自己獨自的允許和中斷位。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，SCI有中斷偵測、同位檢測、過載和框架錯誤去檢查接受進(jìn)來的數(shù)據(jù)。SCI模塊重要的功能如下所示：（1）兩個外部的引腳位

．SCITXD：SCI傳送輸出引腳位

．SCIRXD：SCI接受輸入引腳位（2）速率有64K種不同的速率，可由緩存器設(shè)定改變傳輸速率（3）數(shù)據(jù)字符(Data-word)格式

．一個開始位

．傳輸數(shù)據(jù)位長度格式，可從1到8之間作程序化選擇

．奇同位檢測/偶同位檢測/不使用同位檢測的選擇

．可選用1或2個停止位（4）四種錯誤偵測旗標(biāo)：同位(Parity)、過載(Overrun)、框架(Framing)和中斷(Break)錯誤偵測

（5）可選擇使用半雙工或是全雙工操作模式

（6）接受和與傳輸皆采用雙總線模式(Double-buffered)

（7）傳輸方法采用NRZ(non-return-to-zero)格式4.2.2電源TMS320F2812內(nèi)核工作電平為1.8V，外部供電為3.3V，所以需要給TMS320F2812提供兩個不同的電平。本系統(tǒng)選用的是TI公司的TPS70351型LDO線型穩(wěn)壓器，對DSP進(jìn)行供電，它可以給DSP提供雙路且獨立的穩(wěn)壓電源，將5V電壓轉(zhuǎn)換為1.8V和3.3V。其中，一路為I/O供電電壓為3.3V，為FLASH、ADC等提供工作電壓，另一路是為內(nèi)核提供供電電壓為1.8V，同時DSP還規(guī)定內(nèi)核電源必須優(yōu)于I/O電源上電。由圖4.11給4.10的引腳3供電，用TPS70351型LDO線性穩(wěn)壓器將+5V的電源轉(zhuǎn)化為1.8V和3.3V。圖4.10DSP供電芯片圖圖4.11TPS70351供電電源4.3串口通信模塊通過DSP解決后的數(shù)據(jù)，要通過液晶屏進(jìn)行顯示或者需要傳輸給上位機進(jìn)行存儲和進(jìn)一步解決，這時候就要通過串行通信接口（SCI）進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，SCI是一個雙線的異步串口，TMS320F2812片內(nèi)由兩個通用串口，分別是SCIA和SCIB，可分別使用RS-232和RS-485通信。由于RS-485總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡樸，布線成本低，有較高的性能價格比，并且RS-485可帶多個負(fù)載，只要對程序稍做修改即可實現(xiàn)一臺PC機監(jiān)控多臺下位機。與以往的RS-232相比，RS-485有了很大改善，RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)的最大直連距離為15米，數(shù)據(jù)傳輸速率小于20Kbps，因此這種接口標(biāo)準(zhǔn)只合用于辦公環(huán)境中計算機互連，二采用平衡傳輸方式的RS-485標(biāo)準(zhǔn)，使用雙絞線，不用Modem的情況下，在100Kps的傳輸速率時，可傳輸?shù)木嚯x可達(dá)1200米，當(dāng)傳輸速率下降到9600bps時，則傳輸距離可達(dá)1500米。RS-232采用負(fù)邏輯，而TMS320F2812的I/O電平是TTL電平，因此， 圖4.12RS485通信圖4.4鍵盤及液晶顯示模塊4.4.1鍵盤電路鍵盤是系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵的部件，通過鍵盤可以向DSP輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等等，是人為干預(yù)微解決器的重要手段。鍵盤有兩種掃描方式：中斷方式和查詢方式。但是中斷方式需要占用CPU的外部中斷資源，還也許會干擾其他中斷程序的運營，因此本系統(tǒng)采用查詢方式，即對相應(yīng)I/O口的狀態(tài)進(jìn)行查詢。查詢是否有按鍵按下，然后再調(diào)用相應(yīng)的按鍵程序進(jìn)行解決。本系統(tǒng)設(shè)計的鍵盤如圖4.13所示。按下鍵時輸出為低電平，未按下鍵時輸出為高電平。圖4.13鍵盤電路圖4.4.2液晶顯示電路液晶顯示屏具有顯示直觀、操作方便等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用的是LR080AR/D系列顯示器，如圖4.14所示。其分辨率640*480*RGB，提供強大的接口操作，設(shè)計簡樸，功耗低，方便了用戶的使用，提高了系統(tǒng)的實時性和集成度。4.14液晶電路圖4.5本章小結(jié)本章完畢了本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計。根據(jù)各部分實現(xiàn)的不同功能，將系統(tǒng)分為四個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、DSP解決模塊及外圍電路模塊、串口通信模塊、鍵盤及液晶顯示模塊。闡述了這四個模塊的原理，分析了各模塊的實現(xiàn)方法。5系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1主程序設(shè)計主程序的設(shè)計可以按照功能不同進(jìn)行劃分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)解決、數(shù)據(jù)通信和顯示三大部分來完畢。按模塊可以化分為主程序、采樣中斷子程序、測頻子程序、FFT子程序、液晶按鍵子程序和RS485子程序。主程序的功能是對系統(tǒng)各部分完畢初始化，數(shù)據(jù)采集運算以及后續(xù)顯示等。圖5.1為主程序流程圖。圖5.1主程序流程圖5.2采樣中斷程序設(shè)計在系統(tǒng)完畢初始化任務(wù)以后，使中斷向量表中的ADCINT中斷指向A/D中斷函數(shù)，完畢A/D初始化并使能中斷第一組向量。在A/D初始化中，通過設(shè)立ADC控制寄存器1（ADCTRL1）中SEQ-CASC位為0，使DSP工作在雙排序模式；設(shè)立ADC控制寄存器3（ADCTRL3）中SMODE-SEL位為0，使DSP工作在順序采樣模式；設(shè)立最大轉(zhuǎn)化通道寄存器（ADCMAXCONV）為5，使DSP的一次自動轉(zhuǎn)換時的最大轉(zhuǎn)換數(shù)為6通道。本程序的采樣頻率為，連續(xù)采樣2個周期，一個周期采樣64個點，這樣可以保證FFT可以計算到32次諧波。采樣中斷流程如圖5.2所示。圖5.2采樣中斷程序流程圖5.3測頻中斷服務(wù)子程序?qū)τ陬l率的測算，用一個遲滯比較器，通過TMS320F2812的捕獲單元，捕獲方波的下降沿來測量。測頻流程圖如圖5.3所示。5.4FFT及參數(shù)計算子程序FFT算法的具體算法詳見上面章節(jié)的相關(guān)內(nèi)容。流程圖如圖5.4所示。圖5.3測頻中斷子程序圖5.4參數(shù)計算程序流程圖5.5液晶按鍵子程序四個按鍵分別是上移鍵、下移鍵、擬定鍵和返回鍵。液晶及按鍵程序如圖5.5所示。圖5.5液晶鍵盤流程圖5.6RS485通信子程序采用MAX公司的MAX485芯片作為RS485通信的收發(fā)器MAX485是MAX公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片，它使用單一電源,電壓在4.75-5.5V范圍內(nèi)均能正常工作，可以完畢TTL與RS485之間轉(zhuǎn)換。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡樸，內(nèi)部具有一個驅(qū)動器和接受器。R0和D1端分別為接受器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，為邏輯0時，器件處在接受狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處在發(fā)送狀態(tài)。DE/RE信號為“1”，則MAX485芯片的發(fā)送器有效，接受器嚴(yán)禁，此時單片機可以向RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)，流程圖如圖5.6所示；DE/RE信號為“0”，則MAX485芯片的發(fā)送器嚴(yán)禁，接受器有效，此時DSP可以接受來自RS-485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。流程圖如圖5.7所示。同一時刻MAX485芯片中的“接受器”和“發(fā)送器”只可以有1個處在工作狀態(tài)。圖5.6RS485發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖圖5.7RS485接受數(shù)據(jù)流程圖5.7本章小結(jié)本章完畢了系統(tǒng)軟件的設(shè)計和各軟件模塊的實現(xiàn)。分析了各軟件模塊的原理，完畢了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解決、數(shù)據(jù)顯示的程序設(shè)計。6電能質(zhì)量治理措施研究目前，電力系統(tǒng)中諧波治理與無功補償電能質(zhì)量綜合治理的方法重要有：靜止無功補償裝置(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)和注入式混合型有源濾波器(IHAPF)，下面分別介紹這三種常用的電能質(zhì)量治理方法。6.1靜止無功補償裝置(SVC)靜止無功補償裝置（SVC）于20世紀(jì)70年代興起，現(xiàn)已發(fā)展成為技術(shù)成熟的FACTS裝置，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的負(fù)荷補償和輸電線路補償(無功補償)。在大功率電網(wǎng)中，SVC被廣泛用于補償無功，提高功率因數(shù)。針對不同行業(yè)不同類型的負(fù)荷需要補償不同類型的無功及其它諸如克制諧波等的技術(shù)需求，并且隨著無功補償技術(shù)的不斷發(fā)展，SVC己經(jīng)發(fā)展成具有多種類型的一個系列，重要涉及：晶閘管投切電容器型(TSC)、晶閘管控制電抗器型(TCR)、固定電容器+晶閘管控制電抗器型(FC+TCR)、晶閘管投切電容器型+晶閘管控制電抗器型(TSC十TCR)和無源濾波器+晶閘管控制電抗器型(PF+TCR)等。各種類型SVC的性能對比如表6.1所示。表6-1各種類型SVC的性能對比性能指標(biāo)TSCTCRFC+TCRTSC+TCRPF+TCR合用負(fù)荷范圍感性容性感性/容性感性/容性感性/容性控制方式不連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)響應(yīng)速度快快快快快調(diào)節(jié)精度差好好好好特性次諧波治理無無無無良好分相調(diào)節(jié)有限可以可以可以可以PF+TCR型SVC運用無源濾波器濾除特性次諧波，同時運用PF中的固定電容補償固定容量的容性無功。若PF產(chǎn)生的容性無功超過了實際需要補償?shù)臒o功，則會發(fā)生無功過補，此時通過TCR補償感性無功將過補的容性無功抵消，從而將功率因數(shù)動態(tài)地調(diào)整到設(shè)定值。本方案具有動態(tài)調(diào)整無功功率和濾除特性次諧波的雙重功效。圖6.1PF+TCR型SVC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖SVC裝置的局限性之處在于晶閘管控制電抗器TCR在運營中會產(chǎn)生較大的諧波成分，濾波效果不佳，并且整套裝置需要大電感、大電容元件，占地面積大，克制電壓閃變的能力不會隨補償容量的增長而增長。6.2靜止同步補償器(STATCOM)隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，80年代以來，一種更為先進(jìn)的靜止型無功補償裝置出現(xiàn)了，這就是采用自換相變流電路的靜止同步補償器(STAICOM)。靜止同步補償器的基本原理是將三相橋式變流電路并聯(lián)安裝在負(fù)載側(cè)，適本地調(diào)節(jié)三相橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接調(diào)節(jié)其交流側(cè)輸出電流，就可以使該電路發(fā)出或者吸取滿足規(guī)定的無功電流，從而達(dá)成動態(tài)補償無功的目的。在諧波克制方面,STATCOM裝置通過控制電力電子器件的開斷，調(diào)制出與電網(wǎng)諧波電流大小相等、極性相反的輸出電流，與電網(wǎng)諧波電流相抵消從而達(dá)成諧波治理的良好效果。此外，STATCOM還具有克制電壓閃變，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定水平等功能。STATCOM有電壓型和電流型兩種電路結(jié)構(gòu)，其中電壓型橋式電路的運營效率更高，所以本方案選用電壓型橋式電路作為主電路結(jié)構(gòu)，如圖6.2所示。其中直流側(cè)為儲能電容，用來為STACOM提供直流側(cè)電壓支撐；逆變器由反并聯(lián)二極管式IGBT三相逆變橋組成，重要功能是將直流電壓變換為交流電壓，并通過控制IGBT的驅(qū)動脈沖控制交流電壓的頻率、幅值和相位；STATCOM交流輸出側(cè)通過連接電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)中。圖6.2電壓型STATCOM的主電路圖由于電力系統(tǒng)具有非線性及負(fù)荷參數(shù)多變等特點，高壓大功率STATCOM的工程化尚有很多問題沒有得到很好的解決，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用投資大，維護(hù)工作量也較大，還需進(jìn)一步做大量的理論和工程應(yīng)用研究。6.3注入式混合型有源濾波器(IHAPF)注入式混合型有源濾波器(IHAPF)是目前電能質(zhì)量綜合治理領(lǐng)域的一種功能全面、技術(shù)性能優(yōu)越的新方法，其優(yōu)點是能同時滿足大功率無功補償和諧波克制兩個方面的規(guī)定，性價比高。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6.3所示。圖6.3注入式混合型有緣濾波器（IHAPF）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖從結(jié)構(gòu)上可以看出，注入式混合型有源濾波器(IHAPF)由注入型APF與無源濾波器PF并聯(lián)混合得到，只由注入支路電容和無源濾波器PF進(jìn)行無功功率的靜態(tài)補償，由有源和無源部分共同克制諧波。圖6.3中，與調(diào)諧在基波頻率，運用與對基波諧振的特性，使有源濾波器(APF)基本上不承受基波電壓和基波電流，從而有效減小了APF的基波容量。諧波克制方面，IHAPF通過向電網(wǎng)注入一定的補償電流來抵消諧波源負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，能自動適應(yīng)電網(wǎng)阻抗和頻率的快速變化，具有高可控性和快速響應(yīng)特性。IHAPF特別合用于諧波含量大、多次諧波超標(biāo)的情況，并可以有效減少無源支路的數(shù)量，減少系統(tǒng)發(fā)生諧振的機率。6.3.1注入支路參數(shù)對濾波效果的影響注入支路對于注入式混合型有源濾波器起著至關(guān)重要的作用，關(guān)系著諧波注入能力和無功補償?shù)南薅?。所以我們有必要仔?xì)分析一下注入支路參數(shù)的影響。不考慮背景諧波電壓的影響，IHAPF接入點處次諧波電壓由流過系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)的n次諧波電流產(chǎn)生，且僅與系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)的n次諧波阻抗和流過系統(tǒng)電網(wǎng)n次諧波電流有關(guān),滿足以下關(guān)系式（6.1）系統(tǒng)電網(wǎng)短路阻抗重要呈現(xiàn)阻感性，在頻域內(nèi)，電阻在總的阻抗中所占的比重很小，可以忽略。為了便于分析，本文在頻域模型中忽略了電阻的影響,假設(shè)電網(wǎng)諧波阻抗為純感性。即（6.2）式中，為系統(tǒng)電網(wǎng)電感值,可以得到電網(wǎng)電壓（6.3）基于以上分析，本文建立IHAPF的頻域通用電氣模型如圖6.4所示，其中將APF等效為一個受控電壓源。圖中，為負(fù)荷諧波源等效電流源，為IHAPF向電網(wǎng)注入的電流，代表基波串聯(lián)諧振支路、以及輸出濾波器的等效阻抗，代表注入支路電容