毕业设计(论文)-谐波对电网设备的影响.doc
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1、湖南工业大学毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 谐波的基本概念国际上公认的谐波定义为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍,我们常称为高次谐波。根据这个定义,频率不是基波频率整数倍的畸变波形称为间谐波(interharmonics)、分数谐波(fractional-harmonics)和次谐波(subharmonics) 。在电力系统中,波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流设备,以及其他电力电子设备等非线性负荷造成。当正弦基波电压施加于非线性负荷时,负荷吸收的电流与施加的电压波形不同,畸变的电流影响电流回路中的配
2、电设施,如变压器、导线、开关设备等。在实际存在系统电源阻抗时,畸变电流将在阻抗上产生电压降,因而产生畸变电压,畸变电压将对负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量,这样就产生了谐波电流,这些谐波电流注入电网,就形成了电网谐波。这些谐波电流值实际上与50HZ基波电压值和供电网的阻抗无关。因此,对大多数谐波源可视作为恒流源,它们与50HZ基波不同,后者大多是恒压源。根据谐波产生的原理不同,谐波源可分为两大类:(1)含有半导体元件的各种电力电子设备的谐波源含有半导体元件的各种电力电子设备的谐波源工作时按一定的规律开关不同的电路,使正弦电流
3、(或电压)波形发生畸变,将谐波注入电网中,这种方式产生的谐波电流与供电电压波形、电力设备的电路结构及参数和控制方式有关。近年来电力电子设备的迅速发展,这类谐波源成为最严重的谐波源。从相数分有单相和多相;从功能分有整流、逆变、交流调压和变频等。如整流设备、交直流换流设备、变压器、直流拖动设备整流器、PWM变频器、相控调制变频器以及现代工业为节能和控制用的电力电子设备等。(2)含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源所产生的谐波电流与供电电压波形和负荷的伏安特性有关。如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯和荧光灯等含有电弧的设备与它的工作周期和过程有关。变压器和发电机等含有铁磁的
4、设备,电流谐波的含有率与它的铁芯饱和程度有直接关系。正常运行时,电压接近额定电压,轻度饱和,谐波含有率不高,若在轻负荷运行时,运行电压偏高,铁芯饱和程度加深,谐波含有率提高。特别是近年来,为了减少单位设备容量成本,使设备尽量在饱和状态下运行,这更加加大了变压器所产生的谐波,为电网谐波治理加大了难度。1.2 谐波的危害1.2.1 谐波对电网设备的影响随着电子技术的快速发展,非线性电力设备的种类、数量和比重日益增加,它们产生的谐波对电力系统的污染日益严重。谐波对电网设备的影响,就其结果来说,可分为两类:对电力设备的影响和对电网中电子设备的影响。第一类:对电力设备的影响,主要表现在造成设备损坏、缩短
5、设备寿命,降低效率和增加损耗等。如对电机和变压器的影响主要表现为引起附加损耗、产生机械振动。由于引起附加损耗,从而产生附加温升,产生局部过热,加速绝缘老化,缩短电机的使用寿命。谐波对输电系统的影响是由于增加了电流的有效值而引起的附加输电损耗和谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。另外,对电容器组的影响更加严重,主要是引起谐波电流和电压放大,有时还可能发生串联和并联谐振,从而大大增加电容器的损耗,常常导致电容器击穿和损坏。 第二类:对电网中电子设备的影响,主要是对计算机、继电保护、自动装置、仪表和通信等设施的影响,它可以造成设备的工作失误或性能劣化。如对继电保护和自动装置受谐波的影响表现为:当
6、装置动作于电压或电流信号时,还未达到整定动作值的基波分量能和较大谐波分量叠加,使它形成的综合动作值超过整定值而误动作。当装于差动电路、零序电路或负序电路的继电器或启动元件,它所接受的动作电流或电压仅为电流或相电压的一个很小的百分数,故整定动作值都很小,它的动作电压和电流中的谐波含有率达到很高值,从而使得这些装置对谐波很敏感。1.2.2 谐波对电能计量的影响(1)谐波对感应式电能表本身的影响感应式电能表由电压线圈,电流线圈,转动元件和计量元件组成。电压线圈和电流线圈相互产生一个磁场力,驱使转动元件转动,驱动转矩为MP=C1UICOS ,其转速和功率成正比。电磁式感应电能表是按基波电压和电流的情况
7、设计的,没有考虑谐波的情况。在负荷电压下,电流不变时,当频率变化时,由于电压线圈阻抗的变化,同时由于转盘的变化会使电流磁通也发生变化,从而影响电能表的测量精度1。另外,当谐波电流存在时,谐波与基波相迭加,波形就会发生畸变,而由于电压、电流线圈铁芯导磁率的非线性,在电压、电流发生畸变时,磁通并不能相应地线性变化,从电能表的工作原理可知,只有同频率的电压和电流相互作用才能产生有功功率,电能表也只有同频率的电压与电流产生的磁通之间相互作用才能形成转矩,畸变的波形通过电磁元件之后,由于磁通不与波形对应,导致转矩不能与平均功率成正比而产生误差2。(2)谐波功率的流向对电能计量的影响 各种非线性负荷都是谐
8、波源,它们将产生谐波功率。这些谐波功率都是非线性电力设备在工作过程中将基波功率的一部分转化而成的。图1.1是示意一个简单的电网。 图中:Plm为线性负荷从电网中吸收的基波功率;Phm为线性负荷从电网中吸收的谐波功率;Pl h为非线性负荷从电网中吸收的基波功率;Ph为非线性负荷输送给电网中的谐波功率;若在线性负荷和非线性负荷与电网连接点分别装一个功率表,可以得知:功率表1记录的功率是:Pl m +Ph m;功率表2记录的功率是:Pl hPh图1.1 电能计量示意图 从上面分析中可以看出非线性负荷把从电网中吸收的一部分基波功率转化成了谐波功率输送到电网中,而功率表所计量的值却为P1h与Ph之差,而
9、线性负荷功率表记录的为Plm与Phm之和。其中Phm是被迫吸收的,不但没发挥作用,反而对电力设备产生很多危害。这就使线性负荷因多出电费而多受害,而非线性负荷发出损害电网的谐波功率却少出电费,这是目前电能计量必须解决的问题,并随着谐波的增加而日益突出。这是由于目前使用的电能表只能反应基波电压与电流的关系而造成的。1.3 谐波电能计量的研究现状在国际上,早在20世纪初就有大量研究谐波的文章发表,进入90年代以来,电能质量现象、电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注。在我国,虽然基波电能计量技术有了快速的发展,但对谐波电能计量的起步较晚,发展也比较慢。直到90年代,电网电能质量问题进
10、一步受到人们的关注,谐波电能计量技术才有所发展。1996年,湖北电力试验研究所研制出了能测量基波电能的FEE-3能表3。这种表的主要功能特点在于:能有效地将畸变信号中的谐波电能部分去掉,只计量信号中的基波电能。1997年,清华大学电机系研制的基于微机技术的基波和谐波电能同时计量电能表,这种表的优势就是能同时计量基波电能和各次谐波的总电能4。1.4 谐波电能计量的必要性随着电力电子技术的发展,电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁,给周围电气环境带来了极大的影响。谐波被认为是电网的一大公害,同时也阻碍了电力电子技术的发展。谐波不仅对电力设备的安全使用构成危害,而且对
11、电网电能计量造成很大的影响,除了影响计量装置的精度外,它的流动方向对计量影响更大。在非线性系统中,线性负载所消耗的功率除吸收有用的基波功率之外,还要被迫吸收一部分谐波功率,目前用的电能表所显示的读数为基波电能与谐波电能之和;非线性负载吸收基波功率,并将其中一部分转化为谐波功率,输送给电网,目前用的电能表所显示的读数为基波电能与其发出的谐波电能之差5。对于线性用户,谐波功率不但无用,有时还会干扰其正常工作,它是谐波的“受害者”,反而会因谐波的存在而多付电费:而对于非线性用户,它把所吸收的基波电能中的一部分转化为谐波电能输入电网,它是谐波的“制造者”,反而会因此少付电费,这显然是不合理的。以前的各
12、种谐波电能测量仪表只能测量其发送方向或者所有各次谐波电能的总值,而不能分别计量各次谐波电能。因而在非线性系统中,迫切需要能计量各次谐波电能的新型电能表,能定量地确定谐波源向电网输送的各次谐波能量,从而为制定相应措施治理谐波和对谐波源进行处罚提供可靠依据。1.5 论文主要工作本课题根据目前电力系统谐波状况,结合有关标准,在总结目前电能计量装置的基础上研究能实时计量基波和各次谐波电能的计量装置。 本论文的主要工作分以下几个方面:(1)分析电力系统谐波的产生机理和危害在电力系统中存在各种大容量电力设备、用电整流或换流设备,以及其他电力电子设备等非线性负荷。当正弦基波电压施加于这些非线性负荷时,负荷吸
13、收的电流与施加的电压波形不同,畸变的电流影响电流回路中的电力设施。这些电力设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量,这样就产生了谐波电流,这些谐波电流注入电网,就形成了电网谐波。电网谐波对电力系统的危害日益严重。使电力设备的降低绝缘性能、产生附加损耗和降低效率;使电子设备工作失误,性能劣化;使电能计量不准确,引起电能管理的混乱。(2)电力系统谐波的理论分析方法傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式,是声学、语音、电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换(DFT)是连续傅立叶在离散系统中的表现形式。快速傅立叶变换(FFT)是快速计算DFT的一种高效
14、方法,FFT的出现使DFT的运算大大简化,运算时间缩短一至二个数量级之多,从而使DFT在实际应用中的得到了广泛应用。本论文就是利用FFT的快速计算能力,把它作为谐波的分析方法。把在电网中采集来的信号数值转换成各次谐波的分量,然后再进行计算和分析。 (3)基于DSP的谐波电能计量装置的硬件电路设计本装置的硬件电路分为四个部分:前置部分、采集部分、DSP部分和人机接口部分。其中采集和DSP部分是硬件设计的核心。DSP是快速数字信号处理芯片,它有专门用于FFT变换的汇编语句,因此进行数据处理更加方便和快捷。(4)谐波电能计量装置的软件开发谐波计量装置的软件设计采用模块化设计,分成四个部分:主程序、采
15、集子程序、FFT子程序和电能计算子程序。(5)实验分析和误差修正 首先,对实验结果进行分析和对比,找出误差产生的原因,确认电感传感器是产生误差的主要环节。其次,提出了对传感器误差进行补偿的软件补偿方法。最后,通过仿真实验对补偿方法进行验证。第2章 谐波电能计量装置硬件电路设计由于只有同次谐波的电压与电流分量之间才能产生谐波有功功率。所以,只要能测出各次谐波电压和电流的值,就能计算出含有各次谐波分量的有功功率。计量装置的工作原理是:通过采集电路采集到各相电流和电压信号的一个离散序列,利用傅立叶变换把离散序列数据转换成各次谐波分量的值,再根据谐波功率计算方法算出功率和电能,就可得到每相的各次谐波电
16、能。所能计量的最高次谐波电能由采样程序中的采样点数决定。本章利用DSP和MAX125高速度、高精度处理数据的特点,设计了该计量装置的硬件系统。2.1 装置的整体设计目前国内外谐波电能计量技术做了很多工作,效果也很好,但由于受处理器处理能力的限制,只能实现基波电能和各次谐波总电能的计量,而不能分开计量各次谐波的电能。随着电子技术的发展,DSP的功能越来越强大,它的处理速度和处理能力完全能满足这种计量要求。本论文就是基于DSP技术,研制一种能实时计量基波和各次谐波电能的计量装置。本装置的整体结构框图如图2.1所示,整个电路分四个部分,前置电路、采图2.1 系统整体结构框图样电路、DSP电路和液晶显
17、示电路。PT, CT和放大电路是前置电路,是把220V电压、电流信号转换成5V的交流信号;MAX125是采集电路的核心部分,它是专门的A/D采集芯片,把连续的模拟信号转变成离散的数字信号;TMS320LF2407是DSP电路的核心,也是整个装置的核心,所有计算、数据存储、显示控制以及和上位机联系都由它来完成。2.2 前置电路前置电路包括PT、CT和放大电路。前端信号处理电路用来把被测的高电压和大电流信号按一定比例转换为5V+5V的交流电压信号,供下一级电路进行数据采集。借助A/D转换技术,将连续变化的模拟量转化为离散的数字量进行计算分析。电压和电流传感器采用西南自动化研究所的无源交流隔离采样器
18、(WBV511E0、WBI411D0 )。该产品采用特制的隔离模块,将被测交流电压、电流隔离转换成同频同相的交流电压信号,具有一定的过载能力,精度等级为0.1级。后一级的放大电路用来把小信号调整为适合A/D转换器采样的信号,并起阻抗变换的作用,有利于提高采样的精度。电路原理图如图2.2和2.3所示。图2.2 电压信号处理电路原理图图2.3 电流信号处理电路原理图无源交流电压、电流隔离采样器(WBV511E0, WBI411D0)是西南自动化研究所研制生产的专门用来采样的传感器。其主要特点和参数:采用新型电磁隔离,感应式输入,高精度,微功耗;线性测量范围:0120%标称输入;频响:25Hz5KH
19、z特别适应于工频至中频的电流测量;额定环境温度:050C;隔离电压2.5kvDC;新增真效值变换输出和二线制输出;过载能力:30倍标称输入,持续5秒;平均无故障工作时间5万小时;多种输出类型任选取,多种结构类型任选取;采样器的V输出均属高阻输出,要求后一级电路的输入阻抗在1M以上,可以直接与运算放大器、跟随器或交流采样的A/D转换器配接。交流电流/电压传感器型号及参数如表2.1所示表2.1交流电流/电压传感器型号及参数表产品型号精度等级输入标称值系列输出类型输出标称值响应时间负载能力静态功耗WBI411D0.10.5A,1A,2A,5A,8A,10AVG3.5V15 5mA60mWWBV511
20、E0.110V,20V,30V,50V,75V,100V150V,200V,250V,300V,400V,500V VG3.5V 155mA60mW2.3 采样电路数据采集和A/D转换部分在系统中占有比较重要的地位,数据采集的精度直接影响到后面的处理结果。这部分主要包括同步采样控制、电平转换和A/D转换三部分。2.3.1 A/D转换部分2.3.1.1 A/D转换的工作过程如图2.4所示,TMS320LF2407的一个I/O脚作为A/D转换的启动信号,当IO输出高电平时,通过GAL20V8译码,产生CS1、CS2和CONVST工作信号,CS1和CS2是MAX125的片选信号,而CONVST则是它
21、的转换启动信号。MAX125在被片选的情况下,接到CONVST信号时,开始采样和A/D转换,按 设定的工作模式采样完成后,并把采样数据存放临时RAM。同时,其产生一个INT中断信号,这是转换完成信号,当两片都完成时组合产生INT中断信号返回TMS320LF2407,使其外部中断。它在接到中断信号后,调用中断服务子程序,由地址通过GAL20V8译码产生RD信号,开始从MAX125中的临时RAM读数据,数据通过数据线D0D13经电平转换后存放到其指定的地址。采样的控制逻辑由可编程逻辑器件(PLC) GAL20V8实现,相对于由标准数字逻辑电路搭建的译码电路,由单片GAL20V8实现的译码逻辑,不仅
22、节省了电路板空间,并且可重复编程,方便了系统的调试。图2.4 采样电路原理框图2.3.1.2 MAX125介绍A/D转换器是信号采样电路中的核心器件。采样电路的精度也主要取决于A/D转换器的分辨率,该环节在整个系统中占有重要地位。本装置所用的TMS320LF2407本身带有A/D转换模块,但它只有10位,其精度不够。为了保证整个装置的精度,本系统A/D转换器采用的是MAXIM公司生产的MAX125数据采集芯片,它是一个14位的、高速、多通道的同步采样数据获得系统。它包含一个3微秒的14位分辨率的模数转换器,一个+2.5V内部参考电压,一个参考输入缓冲器,四个同步采样/保持放大器,一个可编程序列
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