学士学位论文--电力系统谐波分析与抑制技术的分析-谐波.doc

南昌大学自考本科毕业设计

编号　　　　　
毕　业　设　计　报 告

设计题目：电力系统谐波分析与抑制技术的分析

专业名称： 电力系统及其自动化

报告准备日期：　2013年9月——2013年11月
提 交 日 期： 　2013年11月
答 辩 日 期： 　 2013年11月

答辩委员会主席：
评　　阅　　人：

目 录
摘要 1
第一章 绪论 3
1.1电力系统谐波的研究目的和意义 3
1.2谐波的基本意义与特点 4
1.2.1谐波的基本意义及数学表达 4
1.3电力系统谐波的原理 6
1.3.1谐波的基本原理 6
1.3.2电力系统谐波的基本模型 7
1.4本文的主要工作 11
第二章 谐波的检测方法以及危害 12
2.1谐波的检测方法 12
2.1.1带阻滤波法 12
2.1.2带通选频法和FFT变换法 13
2.1.3瞬时空间矢量法 14
2.1.4自适应检测法 15
2.1.5小波变换检测法 15
2.2电力系统谐波的危害 16
2.2.1对供电线路的危害 16
2.2.2对电力设备的危害 17
2.2.3对用电设备的危害 19
2.2.4对弱电系统设备的干扰 21
第三章 滤波器 29
3.1有源电力滤波器的概述 29
3.1.1有源电力滤波器的理论基础 29
3.1.2有源电力滤波器的工作原理 29
3.1.3有源电力滤波器的使用优势 29
3.2无源电力滤波器的概述 33
3.2.1无源电力滤波器的分类 33
3.2.2无源电力滤波器的工作原理 35
3.2.3无源电力滤波器所受到的影响 36
第四章 谐波检测仿真分析 40
4.1 谐波信号模型的建立 41
4.1.1 MATLAB 42
4.1.2电力系统谐波信号 43
4.2 MATLAB小波分析 44
4.2.1信号模型的小波分析模型 46
第五章 抑制谐波的方法 40

第五章 总结与展望 49
参考文献 50
致 谢 51

南昌大学自考本科毕业设计

电力系统谐波及其抑制技术的研究
摘要
随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载（谐波源）应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。
本文首先对国内外谐波问题及其现状进行了描述，介绍了抑制电网谐波的主要方式，由传统LC滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后APF的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生和影响,并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。随后对非线性负荷谐波源建立了数学模型,并用数学公式推导得出了结论,利用Matlab6.5软件中的SIMUINK仿真环境为平台建立了模型,并仿真证明了非线性负荷用户对线性用户产生的影响。
目前,在谐波抑制方面,已经有了实用的很成熟的无源滤波技术,但由于无源滤波器存在的一些缺点。有源电力滤波器因其动态补偿谐波的优越性已经成为了一项热门的研究课题。本文在考虑到我国电力系统大多数情况下处于不平衡状态下,对现有的基于瞬时无功功率谐波检测方法进行了改进,提出了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法。基于瞬时无功功率理论的ip-iq改进方法。谐波电流检测方法�在系统稳定情况下进行了仿真分析,证明了ip-iq检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波。
研究了并联有源电力滤波器电流控制方法,确定采用三角波比较控制方式作为本文所研究三相三线制并联有源电力滤波器控制策略。
最后依据前面所研究的谐波检测方法和控制部分构建了三相三线制并联有源电力滤波器�进行了Matlab仿真实验,仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。

关键词 电力系统谐波; 脉宽调制; 有源电力滤波器; 瞬时无功功率理论

ABSTRACT
With the development of electric power systems as well as the opening up of electricity markets, power quality problems has attracted wide attention. Due to various nonlinear loads (harmonic) wider, increasing pollution of harmonic to power grid. Therefore, harmonic and suppression technique has become the subject of widespread attention at home and abroad.
Firstly the harmonic problems and describes the status quo at home and abroad, introduced the main means of suppressing harmonics from the traditional LC filter to the development process of shunt active power filter and its future development trend of APF. Introduces the basic concepts of electric power harmonic as well as the emergence and impact of nonlinear load harmonic source and conducted an analysis of several typical nonlinear harmonic sources. Subsequent establishment of mathematical model of nonlinear load harmonic source and mathematical formula came to a conclusion, using Matlab6.5 software, SIMUINK simulation environment for platform was established in model and simulation to prove the impact of nonlinear load users for linear users.
At present, in the harmonic context, already has a practical passive filter technology is mature, but due to the existence of passive power filter some of the shortcomings. Because of its dynamic compensation of active power filter harmonic superiority have become a hot research topic. This paper, taking into account the electric power system in most cases in an equilibrium State, were made to the existing harmonic current detecting method based on instantaneous reactive power improvement, presents three-phase three-wire shunt active power filter for harmonic detection method. IP-IQ beg for improvement method based on instantaneous reactive power theory. Harmonic current detecting method for simulation analysis of systems under stable conditions, proves that detection IP-IQ method and accurate detection in real time under different load harmonics.
Study on current control method for shunt active power filter, determines this triangle wave comparison control method, as this study on control strategy for three-phase three-wire shunt active power filter.
Finally based on earlier research of harmonic detection method and control part-built three-phase three-wire shunt active power filter and Matlab simulation, simulation results show a good compensation for the filter performance.

Key words： of power system harmonics; Pulse width modulation; Active power filters Instantaneous reactive power theory
第一章 绪 论
1.1研究的目的和意义
随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。
20世纪80年代以来，电力电子学已逐渐成为一门新兴交叉边缘科学，与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。但由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷，由其造成的谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响，被公认为电网的一大公害。因此，电力系统谐波及其治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作者面前。
在传统电力系统中正弦波形被畸变的现象早已存在，由于其功率相对不大，因而危害并不明显。可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求，具体表现为借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对频率、电压、电流、波形及相数的要求。还需注意到，随着超大容量的电力电子装置的使用，现代电力系统正试图将其快速、实时可控性应用于电网的电能输送及运行，正在出现着像动态无功补偿（ASVG，STATCOM）、有源电力滤波（APE）、可控移想装置（TCPA）和统一潮流控制（UPFC）等独具电力领域特色的应用。
目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究。并进而采取相应的抑制措施，是一项非常迫切的任务。
改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的。相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用户侧抑制用户产生的谐波电流以及电流不对称等电能质量问题。
谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响。谐波研究的意义还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色” 的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。
我相信，只有研究出抑制谐波的方法，才能彻底的使电能的生产，传输和利用的效率达到最大化，是造福子孙后代的福利。

1.2谐波的基本意义与特点
1.2.1谐波的基本意义及数学表达
谐波 (harmonic wavelength)，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。
谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。
泛音是物理学上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，以此类推。
谐波的数学表达

上式称为f(t)的傅里叶级数，其中，ω=2π/T

n为整数，n>=0

n为整数，n>=1
在间断点处，下式成立：

a0/2为信号f(t)的直流分量
令
c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。c1有时也称一次谐波的幅值。a0/2有时也称0次谐波的幅值。
谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

1.3电力系统谐波的原理
1.3.1谐波的基本原理
电力系统中有产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。当前，电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有5大类：
1、软启动器（可控硅 电机启动器）；
　　2、开关电源、UPS、逆变元件、电池充电器；
　　3、变频控制的电机、起重机、电梯、泵等制造过程控制；
　　4、电子数据图像设备--如电视等无线电发射设备，可控灯光设备；
　　5、整流器、荧光灯等。
这些设备由于自身的工作特点，即使供给理想的正弦波电压，它们取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。
频率为50Hz的正弦波波形，称基波，50Hz称基波频率。谐波为一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率整数倍。谐波用基波倍数表示，例如频率为150Hz的正弦波称为3次谐波、频率为250Hz的正弦波称为5次谐波、频率为350Hz的正弦波称为7次谐波，依次类推。
1.3.2电力系统谐波的基本模型
电力系统各基本元件的谐波模型是电力系统谐波分析的基础,而谐波源的谐波模型对谐波分析精度具有更重要的作用。除了电力电子装置、电弧炉等公认的谐波源外,传统的变压器、电抗器等由于越来越倾向于工作在其铁芯磁化曲线的饱和段,使这些设备的激磁电流严重畸变,因而当电网轻载,电压较高时,这些装置很可能成为一种新的谐波源。
1.4本文的主要工作
电力系统的谐波理论包含内容广泛，本文主要研究了其中谐波研究的目的以及谐波的基本概念和数学表达，其中谐波的概念和数学表达是根本，从数学的角度分析的谐波的各项分量之间的关系，至于正确分析了谐波的各项分量和特征，才能更好的制定出方案去抑制谐波。并且本文对谐波的基本原理和模型都有了较为细致的介绍，这样才可以更贴切，更全面的了解谐波。
本论文的主要框架如下：
第一章：绪论
主要介绍了电力系统谐波的研究的目的和电力系统谐波的研究的意义。并且对电力系统谐波的定义以及数学表达都有了较为详细的介绍，并且对谐波的原理和基本模型都有了较为深刻的理解，同时介绍本文的主要工作。
第二章：谐波的基本意义与特点
主要介绍了电力系统谐波的基本定义和数学表达方式，主要介绍了谐波之间分量的关系。
第三章：电力系统谐波的原理
主要研究了电力系统谐波的原理和基本模型，只有掌握了谐波的基本模型，才可以更深入，更透彻的研究谐波，发现问题，找到抑制谐波的有效的正确的方法。
第四章：总结与展望
对答辩论文己完成的工作做出总结。

第二章 谐波的检测和分析方法
2.1谐波的检测方法
为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流，首先必须对含有的谐波成分有精确的认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波分量。现有的谐波电流检测和分析方法主要基于以下几种原理：
2.1.1带阻滤波法
这是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不用。
2.1.2带通选频法和FFT变换法
带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A／D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。
这两种方法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响大，且没有自适应能力；后一种检测方法其优点是可同时测量多个回路，能自动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。

2.1.3瞬时空间矢量法
1983年日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论，即“p－q”理论，对电力谐波量的检测做出了极大的贡献，由于解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件就能实现抑制谐波和无功补偿等问题，使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究走向工作应用。根据该理论，可以得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，即：<BR< p>式中分别为p、q的直流分量，即为对应的交流分量。由可得被检测电流的基波分量，将基波分量与总电流相减即得相应的谐波电流。因为该方法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。所以，该方法只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。

90年代提出的“d－q”理论进一步发展和完善了“p－q”理论，该理论提出的检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路谐波和基波负序电流的检测。

2.1.4自适应检测法
   该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度慢。在此基础上，又有学者提出一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。

2.1.5小波变换检测法
对于一般的谐波检测，如电力部门出于管理而检测，需要获得的是各次谐波的含量，而对于谐波的时间则不关心，因此，傅里叶变换就满足要求。然而在对谐波电流进行动态抑制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对于这一点，傅里叶变换无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。
从以上检测方法看，基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。基于神经元的自适应谐波电流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测方法能否应用于工程实际，还有待进一步验证。

2.2 电力系统谐波的危害
电力系统谐波的危害是多种多样的，但不能忽视，谐波的危害往大说影响电力设备和用电设备，往小了说影响千万家用户的身体健康，千万马虎不得。一下介绍了大致的谐波的几种危害。
2.2.1对供配电线路的危害
（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）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次谐波的含量较多，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。

2.2.2对电力设备的危害
（1） 对电力电容器的危害：
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。对于膜纸复合介质电容器，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）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。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。
（3）对电力电缆的危害
 由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

2.2.3对用电设备的危害
 (4) 对电动机的危害： 
谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。
（5）对低压开关设备的危害：
对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。
对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

2.2.4对弱电系统设备的干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。
第三章 滤波器
3.1有源电力滤波器的概述
有源滤波器现场应用有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。
3.1.1有源电力滤波器的理论基础
三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。
3.1.2有源电力滤波器的工作原理
Satons有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。
指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。
有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，该电流在电感内阻上将产生较大损耗。

电压型有源滤波器

电流型有源滤波器

3.1.3有源电力滤波器的使用优势
（1）低纹波电流，高电流响应速度
纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。逆变器采用脉冲宽度调制，根据电工的基本原理，纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。开关频率越高纹波电流越小、直流母线电压越高，纹波电流越大；输出电感越大，纹波电流越小。而逆变器期望的输出电流是由电流环所控制。有源电力滤波器输出谐波电流，如果按基波50Hz，补偿50次谐波计算，最高谐波频率将达到2.5kHz。有源电力滤波器对电流响应速度有很高的要求。电流响应速度与直流母线电压和输出电感大小有关。直流母线电压越高，电流响应越快；输出电感越大，电流响应越慢。我们期望输出纹波电流越小越好，电流响应速度越快越好，这是一对矛盾。
从上述分析可以看出，两电平有源电力滤波器解决这个矛盾的办法只能是提高开关。在某些厂家的两电平有源电力滤波器产品的开关频率已经达到20kHz。但是，开关频率的提高带来的是更高的开关损耗以及驱动损耗，有源电力滤波器的单机容量会受到限制，而对于更高电压等级的有源电力滤波器，高压的IGBT根本就不允许那么高的开关频率。然而，三电平有源电力滤波器从原理上就是一个解决上述问题的方案。三电平逆变器可以输出正、负、零三种电压，在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算。由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，三电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感的减半，将加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。
（2）提高系统耐压，应用于较高电压系统
通常国内低压电网为400V，但是对于某些行业，其低压电网会比较高，例如石油钻机传动采用的是600V，矿山用电可能是690V或1140V，而某些行业的电压等级可能更加多样，但一般都是500V以上。如何解决这些行业谐波治理需求，是一个问题。通常为了提高电流响应速度、保证补偿效果，处理谐波的有源电力滤波器比处理基波的变频器或并网逆变器需要更高的直流母线电压。通常两电平逆变器的直流母线电压是交流电网电压有效值的2倍。
对于380V应用，直流母线电压一般在700V～750V，而对于600V，直流母线电压需要达到1200V。很多企业的做法是加一个变压器，将其他等级的电压变为400V。通过谐波的变压器是经过特殊设计的，价格比较高，体积也比较大，变压的损耗也会比较大。而采用三电平技术，可以用耐压较低的管子组成耐压较高的变流器系统，可以直接连接到电压较高的电网上，同时保证较好滤波效果和单机容量。
3.2无源电力滤波器的概述
无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。
3.2.1无源电力滤波器的分类
无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。
调谐滤波器
调谐滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率；
高通滤波器
高通滤波器也称为减幅滤波器，主要包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c型滤波器，用来大幅衰减低于某一频率的谐波，该频率称为高通滤波器的截止频率。
3.2.2无源电力滤波器的工作原理
无源滤波器由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道；而有源滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的源电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源输出。
3.2.3无源电力滤波器所受到的影响
阻抗影响
无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险；而有源滤波不受影响。
频率影响
无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。
负载影响
无源滤波器可能因为超载而损坏；有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。
负载变化对谐波补偿效果的影响。

无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化；有源滤波器不受负载变化影响。

第四章 谐波检测仿真分析
4.1谐波信号模型的建立
谐波分析必须要有研究对象，而实际的电网信号采样需要精密的仪器设备和在特定的电力环境下进行，要求比较高。算法研究通常采用计算机仿真的方法，需要对研究对象进行建模，因此好的模型的建立是研究的前提。怎样合理的建立谐波信号模型是一个很关键的问题，也是研究的一个难点之一。MATLAB是工程应用和科学计算领域的强大的武器，它不仅仅可以用在谐波的仿真上，也可以用来建立各种信号模型，为理论和算法的研究提供好的研究对象。
4.1.1 MATLAB
MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂，是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

4.1.2电力系统谐波信号
根据实际电网中的谐波情况和仿真分析的需要，我们构建出若干类信号模型。实际电网中由于既存在线性负荷也存在非线性的负荷，所以实际情况下电网中的谐波既包含稳定的基波的各次谐波分量也包含一些非稳定的瞬态变化的谐波，各种电网噪声干扰等。为了仿真分析的方便起见，我们选取有代表性的仅含一种谐波情况的谐波信号进行分析，要分析更复杂的情况只需将各种情况组合叠加即可。
信号模型一：正弦信号的线性组合，即仅含有基波的各次谐波的信号。在电网中电压和电流的基波频率均为=50Hz，我们考虑含有3，5，7次谐波的情况。设信号的数学表达式如下：
(4-1)
上式中第一项是频率=50Hz的基波，第二项是频率=150Hz的3次谐波分量，第三项为5次谐波分量，第四项为7次谐波分量。在本模型中没有取所有次数的谐波，而只是取了在电力系统中较有代表性的谐波分量来分析，可以简化分析且不失一般性。
4.2 MATLAB小波分析
对于电力系统中的非稳态的谐波分析，采用离散小波变换，其中小波函数的选取很重要，根据研究比较发现dmey小波具有较好的处理效果和作用。
为了对比分析的方便，我们仍然是采用离散小波变换对信号模型一至四进行仿真分析。因为电力系统主要包含奇数次谐波，尤其是3，5，7等次谐波，因此，在选择频带的时候不能太大，否则就不能准确测量每一次谐波的含量。仿真信号的基波频率为50Hz采用dmey小波5层分析。将采用dmey小波的离散小波变换应用于4.1节的各种谐波信号模型可以得到基波及其各次谐波以及信号中的部分细节信息。
4.2.1 信号模型三的小波分析波形

由图可以看出，小波分析很好的检测到了信号的基波及谐波的幅值、相位、发生时刻，对于信号的间断点也检测了出来。对于信号中含有间断点的情况，只能使用小波分析。

第五章 总结与展望
本文主要就月度用电量预测做了相关研究。
对于月度用电量预测问题，首先研究月度用电量的变化特点，即长期性和波动性的 二重特征，然后针对该特征提出了一种基于小波分析和灰色模型的用电量预测方法，同时还对受春节影响的一、二月用电量预测进行了研究，并采用移位修正法对其进行修