电力系统间谐波检测算法及电动机间谐波源研究

摘要

随着各种非线性负荷、电力电子装置和波动性负荷大量接入电网，电网中的间谐波含量逐渐增大。间谐波不仅会像谐波一样引起负荷功率因数的降低、增加各种能量的损耗、引发与供电系统的谐振，还会产生电压闪变、无源滤波器过载、电压过零点偏移等一系列新的问题，导致电能质量的恶化并影响到电网的安全经济运行。与传统的谐波相比，间谐波造成危害的范围更广，因此，必须对其进行治理。而治理的前提在于对间谐波参数进行准确估计及对间谐波产生机理的深入认识。间谐波具有一定时变性和随机性，其幅值通常较小且频率可能出现在任意频点上，因此，传统的谐波分析方法在分析间谐波时存在较大不足。针对间谐波的特点和目前的研究现状，论文主要从间谐波检测算法、电压闪变包络线提取方法、电动机间谐波源建模几个方面开展研究，主要工作如下:
　　 (1)在间谐波检测方面，提出基于最优窗Burg算法的间谐波谱估计新方法。首先系统阐述了基于AR模型的间谐波分析原理，并对AR模型具有的高分辨率特性进行了深入分析。Burg算法为AR模型中较常用的方法，但Burg算法在递推AR模型参数的过程中，会产生误差项，造成AR模型参数与实际值不符，导致谱峰偏移和谱线分裂现象。针对Burg算法的这一缺点，提出加窗的方式来对误差项进行抑制，通过在平均频率误差方差最小的意义下来获得最优窗，然后利用加窗后的反射系数进行Levinson递推运算。由于该算法能保证获得一个稳定的AR模型，因此，其谱估计性能优于AR模型中的Marple算法。将该方法与目前间谐波检测中最常用的特征值法进行计算量和谱估计性能两方面比较，两者均具有较高的频率分辨率，并不受非同步采样的影响，但最优窗Burg算法由于利用了Levinson递推，其计算量远小于特征值法。在利用最优窗Burg算法获得间谐波信号的功率谱后，进一步采用最小二乘法求取各次谐波和间谐波的幅值和初相位。
　　 (2)在电压闪变包络线提取方面，提出基于时频原子方法的电压闪变检测新方法。该方法将经同步检波后的电压闪变信号通过匹配追踪的方式分解成一系列时频原子，其中每一个原子都来自于冗余的时频原子库，选择的原子可以最好地匹配信号结构。通过对所选原子的频率参数进行取舍，从而达到低通滤波的目的。由于该方法中不含有卷积运算，因此避免了边界效应。其不仅能够对电压闪变信号进行不失真地包络检波，而且能避免FIR滤波器、ⅡR滤波器和小波变换等传统滤波方法带来的边界效应。
　　 (3)负载转矩波动会导致感应电动机定子电流波动，该波动的电流中包含有间谐波。根据这一现象，建立了机械负荷波动时的感应电动机间谐波源模型。相比前人的工作，该模型考虑到感应电动机更多的参数，模型更为详细，具有更高的精度。针对感应电动机在负载转矩波动时的非线性模型，论文首先对其进行线形化处理，在此基础上推导出定子间谐波电流表达式。Matlab仿真结果验证了该表达式的正确性。进一步地，利用该表达式对负载转矩波动和定子间谐波电流频谱之间的关系进行分析，并分析了电动机稳态输出功率的变化对定子间谐波电流频谱的影响。
　　 (4)建立了计及机械负荷波动且通过变频调速驱动的感应电动机间谐波源模型。首先对电动机输入电压频谱特征进行分析，在此基础上给出定子间谐波电流的频率预测公式，利用瞬时功率守恒理论和开关函数调制理论来分析定子间谐波电流穿越电压源型变频调速装置的过程，然后推导出供电系统侧间谐波电流的表达式，利用该表达式可对系统侧间谐波电流的频率及频谱特性进行分析，最后仿真研究了负载转矩波动对系统侧间谐波电流频谱的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．1．1 问题的提出

1．1．2 间谐波源及其危害

1．2 国内外研究现状

1．2．1 间谐波检测算法

1．2．2 电压闪变检测算法

1．2．3 电动机间谐波源

1．3 本文的主要工作

第2章 基于改进自回归模型算法的间谐波检测

2．1 引言

2．2 AR模型功率谱估计

2．3 基于AR模型的间谐波分析原理

2．4 基于最优窗Burg算法的间谐波检测原理

2．4．1 基于最优窗Burg算法的间谐波谱估计方法

2．4．2 最优窗Burg算法和Marple算法比较

2．4．3 最优窗Burg算法和特征值算法比较

2．4．4 计算复杂度分析

2．4．5 幅值和初相位估计方法

2．4．6 算例分析

2．5 本章小结

第3章 基于时频原子方法的电压闪变检测

3．1 引言

3．2 电压闪变信号模型和预处理

3．2．1 电压闪变信号模型

3．2．2 电压闪变信号预处理

3．3 基于时频原子方法的闪变包络线提取算法

3．3．1 时频原子方法

3．3．2 原子库参数的离散化和符合闪变特征原子的提取

3．4 算例分析

3．5 本章小结

第4章 机械负荷波动时的感应电动机间谐波源模型

4．1 引言

4．2 正弦波动的负载转矩

4．2．1 机械负荷正弦波动时感应电动机数学模型的线性化

4．2．2 定子间谐波电流表达式

4．2．3 算例分析

4．3 周期波动的负载转矩

4．3．1 定子间谐波电流表达式

4．3．2 算例分析

4．4 电动机运行工况及负载转矩波动对定子间谐波电流频谱的影响

4．4．1 定子间谐波电流随负载转矩波动幅值的变化规律

4．4．2 定子间谐波电流随负载转矩波动频率的变化规律

4．4．3 电动机运行于不同工作点

4．5 本章小结

第5章 计及机械负荷波动且通过变频调速驱动的感应电动机间谐波源模型

5．1 引言

5．2 机械负荷波动引起的定子间谐波电流

5．3 定子间谐波电流穿越变频调速装置

5．3．1 间谐波穿越逆变器

5．3．2 间谐波穿越直流侧

5．3．3 间谐波穿越整流器

5．3．4 算例分析

5．4 本章小结

结论和展望

主要研究成果

需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研工作