谐波测量基本原理
tdlas 二次谐波原理
tdlas 二次谐波原理
TDLAS（可调谐二极管激光吸收光谱技术）是一种利用可调谐激光器的窄线宽和激光波长随电流和温度的改变而变化的特性，实现分子的吸收线精准测量的技术。
它结合波长调制技术和锁相放大器，提取与气体浓度有关的谐波信号。
在提取的谐波信号中，偶次谐波的峰值位于吸收线中心位置，信号输出较大，且低次谐波幅值明显大于高次谐波幅值，因此一般采用二次谐波信号反演气体浓度。
TDLAS的二次谐波原理基于气体分子对激光的吸收和散射效应。
当强度为
I0的一束光穿过一定浓度的某种气体的吸收池时，气体分子会对光进行吸收，导致透射光强It减小。
根据Lambert-Beer定律，透射光强It与原始入射
光强I0、气体吸收后的透射光强、气体在频率v处的吸收截面、气体浓度以及气体吸收的光程长度有关。
通过测量透射光强It和原始入射光强I0，可
以计算出气体的浓度。
TDLAS技术具有高灵敏度、高精度和高选择性的优点，被广泛应用于气体
浓度的测量和气体成分的分析。
通过调整激光器的波长和调制频率，可以实现对不同气体成分的测量和分析。
谐波工作原理
谐波⼯作原理谐波⼯作原理1.什么是电⼒谐波理想上，电⼒系统只供应纯基波成份之⽆污染正弦波形，其电源频率仅50Hz（或60Hz）。
但现代诸多⼯业或信息设备均为⾮线性负载，其负载电流波形并⾮纯正弦波，畸变的波形中可被分析出许多整数倍于基波频率的成份，这些基频以外之交流周期性波形即称为谐波。
若其频率为基波的n倍，则称之为n次谐波，如250 Hz为50 Hz的5倍则称为5次谐波。
1其中K1为基波成份之有效值Kn为各谐波成份之有效数值（n分别为2, 3…）K1 is rms of fundamental wave.Kn is rms of each single harmonic. (n = 2, 3 …)欲表⽰某单⼀谐波之污染量，则可采⽤Single harmonic distortion can show as belowSHDn(%) = Kn ? 100%K12.电⼒谐波的影响当谐波严重污染电⼒系统时，除影响系统供电品质外，亦可能破坏电⼒设备或影响设备之正常运转，如功因改善电容器打穿，变压器及电缆过载或绝缘破坏等事故；当电⼒系统中电压闪烁污染严重时，会造成⽇光灯或⽩炽灯等灯具光度的闪变，使⼈的眼睛产⽣不舒适感觉；当三相负载严重失衡时，造成三相电压不平衡导致感应马达线圈异常过热，或⼲扰邻近计算机，导致荧光幕扭曲；当雷击或开关、电容器切换时引起之瞬时突波，可能使电⼒设备因过电压或过电流⽽发⽣故障；当雷击、盐害或⼈为与天灾引起之事故，导致系统电压骤降（Voltage sags）与骤升（Swell），可能造成电⼒设备⽋压或过压，导致保护电驿动作，造成电⼒中断。
故电⼒品质测量分析与改善技术之研究为当今各国电⼒公司与⼯业界⼯作之重点。
谐波存在电⼒系统中将可能引起若⼲问题：The effect of harmonic could cause many problems：系统或负载过电压、过电流System or load over-voltage, over-current.因集肤效应因⽽引起的电缆温升破坏及严重降压Because of skin effect, the temperature of wire cable rise and serious voltage step down. 变压器马达及发电机等的铜损、铁损增加⽽过温The copper and iron lost of transformer, motor and generator cause temperature rise.开关设备及电驿异常跳脱The break and reply unusual trip.⾃动控制设备及计算机运作异常Automatic control system and computer unusual operate.共振放⼤导致电容器破坏Resonance causes capacitor burn.计量仪表误差扩⼤Accurate Instrument measures error.感应磁场造成电话⼲扰Magnitude field interferes with phone system.电压波形失真及功因低落Voltage distortion and power factor la3.谐波管制的相关规范由于谐波污染严重影响供电系统以及其它外围设备，因此相关法规亦对电压及电流谐波失真加以限制，分别可参阅IEC 1000-3-2，IEC 1000-3-4及IEEE 519-19924.如何改善谐波整流（转换）设备之功率因⼦（Power factor）改善包含相位失真（Displacement component）与波形失真（Distortion component）两部份，前者为虚功改善，后者为谐波改善。
毕业论文《电力系统谐波的检测》
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。
谐波是目前电力系统中最普遍现象，是电能质量的主要指标。
电力系统谐波是电能质量的重要参数之一，随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能质量下降。
谐波给供电众业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。
所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。
因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。
对电力系统谐波的治理，需要电力部门和用户共同参与。
一方面，用户需要电力部门公共电网电能质量能确保用户正常生产用电；另一方面，电力部门也要求用户的生产用电不影响公共电网的正常供电，特别是对于一些会对公必电网电能质量造成睡大影响的大型用户，从源头上进行电能质量的治理是必须的。
本文介绍了谐波的概念、检测及危害，详细介绍了谐波产生的来源于，电力系统中的谐波来自电气设备。
也就是说来自发电设备和用电设备。
同时介绍了谐波的危害，包括对电网运行和用电设备的危害，还包括对继电保护和自动装置的影响。
为了有效补偿负荷产生谐波电流，首先对谐波的成分有精确认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波。
本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。
进而研究了电力系统谐波的抑制措施，消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响，以消除和防止谐波的影响。
关键词：电力系统谐波；危害；p、q检测方法,；ip、iq检测方法目录摘要 (I)目录 (I)第1章绪论 (3)1.1 谐波的提出及意义 (3)1.2国内外研究状况及进展 (4)1.2.1国外研究现状 (4)1.2.2国内研究现状 (6)1.3本文主要研究的内容 (7)第2章电力系统谐波的分析 (8)2.1 谐波的基本概念 (8)2.1.1 谐波的定义 (8)2.1.2 电力系统谐波的表达式 (8)2.1.3 电力系统谐波的标准 (9)2.2 电力系统谐波的产生 (10)2.3 电力系统谐波的危害 (12)2.3.1 对电机的危害 (12)2.3.2对变压器的危害 (12)2.3.3 对线路的危害 (13)2.3.4 对电容器的影响 (13)2.3.4 对继电保护、自动装置工作的影响 (14)2.3.5 对其通信系统的影响 (14)2.4 本章小结 (14)第3章电力系统谐波的检测 (16)3.1谐波检测的几种方法比较 (16)3.2基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量 (18)3.2.1 瞬时有功功率和瞬时无功功率 (18)3.2.2 瞬时有功电流和瞬时无功电流 (20)3.2.3 基于瞬时无功功率的p、q检测方法 (21)3.2.4 基于瞬时无功功率的ip、iq检测法 (22)3.2.5 检测示例 (24)3.3本章小结 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录1 (29)附录2 (32)致谢 (337)燕山大学毕业论文评审意见表 (38)个人简介 (40)第1章绪论1.1 谐波的提出及意义“谐波”一词起源于声学。
二次谐波法
二次谐波法二次谐波法是一种用于研究物质性质的实验方法，通过观察和记录二次谐波信号来分析材料的非线性光学特性。
在这篇文章中，我们将介绍二次谐波法的原理、应用和实验步骤。
二次谐波法基于非线性光学效应，即光的能量在介质中传播时，会与介质分子发生相互作用，导致光的频率发生变化。
二次谐波信号的产生是通过光的二次谐波效应，即将一个光波分裂成两个频率相等的光波。
在实验中，我们首先需要一个激光器作为光源，激光器可以产生单色、相干的光束。
然后，将激光束通过一个透明的非线性晶体或介质样品，这个样品具有二次非线性光学效应。
当激光束通过样品时，部分光子会与样品中的分子相互作用，产生频率为原始光的二倍的光子。
这些二次谐波光子会被收集并进一步分析。
为了观察和记录二次谐波信号，我们通常使用一个光谱仪或者一个二次谐波发生器。
光谱仪可以将光的不同频率分离开来，并通过探测器将其转换为电信号。
二次谐波发生器则可以将二次谐波信号转换为可见光，并通过摄像机或其他成像设备进行观察和记录。
二次谐波法在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，二次谐波法可以用来研究材料的非线性光学性质，例如材料的非线性折射率、非线性吸收系数等。
这些性质对于光学器件的设计和制造非常重要。
在生命科学中，二次谐波法可以用来研究生物分子的结构和功能，例如蛋白质的二级结构和分子运动等。
在进行二次谐波实验时，需要注意一些实验步骤和注意事项。
首先，要保证实验环境的稳定性，例如温度、湿度等。
其次，要选择合适的样品和光源，以及适当的检测器和分析设备。
在实验过程中，要注意安全，避免直接接触激光束和二次谐波信号。
二次谐波法是一种非常有用的实验方法，可以用于研究材料的非线性光学性质。
通过观察和记录二次谐波信号，我们可以了解材料的非线性响应和光学特性。
这种方法在材料科学和生命科学等领域有广泛的应用，并为相关研究提供了重要的实验手段。
希望通过这篇文章的介绍，读者对二次谐波法有更深入的理解和认识。
谐波原理及治理方法
谐波原理及治理方法一、1. 何为谐波？在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。
谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。
一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。
对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。
“谐波”一词起源于声学。
有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。
傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。
电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。
当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。
1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。
70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。
世界各国都对谐波问题予以充分和关注。
国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
谐波研究的意义，道理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。
谐波原理
线性负载，例如纯电阻负载，其工作电流的波形与输入电压的正弦波形完全相同，非线性负载，例如斩波直流负载，其工作电流是非正弦波形。
传统的线性负载的电流/电压只含有基波(50Hz)，没有或只有极小的谐波成分，而非线性负载会在电力系统中产生可观的谐波。
谐波与电力系统中基波叠加，造成波形的畸变，畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。
非线性负载产生陡峭的脉冲型电流，而不是平滑的正弦波电流，这种脉冲中的谐波电流引起电网电压畸变，形成谐波分量，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流。
计算机是此类非线性负载之一，象绝大多数办公室电子设备一样，计算机装有一个二极管/电容型的供电电源，这类供电电源仅在交流正弦波电压的峰值处产生电流，因此产生大量的三次谐波电流（150Hz）。
其它产生谐波电流的设备主要有：电动机变频调速器，固态加热器，和其他一些产生非正弦波变化电流的设备。
荧光灯照明系统也是一个重要的谐波源，在普通的电磁整流器灯光电路中，三次谐波的典型值约为基波（50Hz）值的13%-20%。
而在电子整流器灯光电路中，谐波分量甚至高达80%。
非线性负载所产生的谐波电流会影响电力系统的多个工作环节，包括变压器，中性线，还有电动机，发电机和电容器等。
谐波电流会导致变压器，电动机和备用发电机的运行温度(K参数)严重升高。
中性线上的过电流（由谐波和不平衡引起）不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热。
无功补偿电容器会因电网电压谐波畸变而产生过热，谐波将导致严重过流；另外，电容器还会与电力系统中的电感性元件形成谐振电路，这将导致电容器两端的电压明显升高，引致严重故障。
照明装置的启辉电容器对于由高频电流引起的过热也是十分敏感的，启辉电容器的频繁损坏显示了电网中存在谐波的影响。
谐波还会引起配电线路的传输效率下降，损耗增大，并干扰电力载波通讯系统的工作，如电能管理系统（EMS）和时钟系统。
谐波测量方法综述
电力系统谐波测量方法综述引言：20世纪70年代以来，随着电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波污染状况及危害程度呈急剧上升趋势。
由于电力电子装置所产生的谐波污染问题是阻碍电力电子技术发展的重大障碍，无法回避,且谐波污染对电力系统存在严重的危害，准确地掌握电网中的谐波成分对于电力系统的安全、经济运行具有重要的意义。
谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。
谐波测量的主要作用有：(1)鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。
(2)电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。
(3)谐波故障或异常原因的测量。
(4)谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。
现有的谐波分析方法主要有快速傅立叶变换，p、q分解法以及基于瞬时无功功率理论的虚实功率合成法，小波、人工神经网络以及支持向量机等方法，本文分析了个方法的优缺点并在其基础上作了验证。
1、采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波图1采用模拟滤波器谐波测量结构图输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率f1、f2、⋯、fn 是固定的，为工频的整数倍，且f1< f2<⋯<fn (其中n 是谐波的最高次数)，然后送至多路显示器显示被测量量中所含谐波成分及其幅值。
采用模拟滤波器谐波测量优点是电路结构简单，造价低。
但该方法也有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量。
2、基于傅立叶变换的谐波测量基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。
它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。
使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。
谐波原理及抑制
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基本概念
术语
主要术语
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IEC D l cosj1 n FC
图形
次谐波
谐波分量频率低于基波频率
1 2 infra 3 4 inter 5
这两类干扰是由各种设备吸收的功率为周期性或随机变
化引起的。
例: 电弧炉 波形控制 电弧不稳定
循环变流器
频率变换器 变频器
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6
基本概念
定义
傅立叶变换:
所有周期性的非正弦连续函数, 可以被分解成无穷多的
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基本概念
电源阻抗
阻抗和频率的函数关系
输出阻抗与额定负载时输出阻抗的比值
等效图
变压器, 发电机,
电缆
150
Zs Zc % 发电机 X”d=12% 传统UPS
100
UPS
50
变压器 Usc=4%
MLI UPS
50
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250
500
750
F (Hz)
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基本概念
电源阻抗对电压和电流畸变的影响
电流谐波畸变依赖于负载
电压谐波畸变依赖于电源
较低的电源阻抗利于谐波电流流向电源, 但同时电压 畸变往往也较低 反之, 高电源阻抗阻止谐波电流流向电源, 但电压总畸 变往往也较高 电源阻抗与总谐波畸变 (u, i) 之间的变化是非线性的
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谐波测量基本原理
目前最常用的谐波分析方法是使用傅里叶变换，将时域的离散信号进行傅里叶级数展开，得到离散的频谱，从离散的频谱中挑选出各次谐波对应的谱线，计算得出谐波各项参数。
在实际实现时，由于离散傅里叶变换存在“栅栏效应”，采样频率不为基波的整数倍时，部分谐波可能不在离散傅里叶变换后的离散频率点上，需要使用特殊的手段将栅栏空隙对准我们关心的谐波频率点。
其中同步采样法和频率重心法使用最为广泛。
同步采样法
顾名思义，就是使采样频率与基波频率同步改变。
该方法从源头上保证数据的采样频率为基波频率的整数倍，如IEC 61000-4-7标准就规定50Hz使用10倍基波采样率，采样数据经离散傅里叶变换即可得到各次谐波分量。
同步采样常用硬件PLL实现，需要实时调整采样频率，频率的锁定需要时间，受限于滤波器及相关器件，很难做到很宽的频域，也很难保证频谱特别丰富时的准确性。
频率重心法
使用足够高的采样频率(一般大于4倍基波频率)即可满
足直接对信号进行采样，将信号的频谱间隔拉开，并且使用更多周期的数据点做离散傅里叶变换，降低频谱泄露的影响。
最后根据窗函数的功率谱分布特性，通过频谱的谱峰和次谱峰，找到真正的谱峰频点——即离散频谱的谱峰和次谱峰的重心。
通过频率重心法消除了栅栏效应的影响，对各次谐波使用重心法，还得到一个偏离系数，使用该系数配合窗函数功率谱，可求解得到对应频点的相位和幅值等信息。
至此，非同步采样法同样得到了各次谐波。
受限于窗函数的频谱特性，该法需要用足够高采样率来保证各频率成分的频谱互相影响足够小;而且截断造成的泄漏也不能太大，否则产生的假频率叠加到真实频谱里，导致结果误差更大。
简单对比
基于以上实现原理可知，同步采样法精度取决于PLL的准确度，而后期计算简单。
PLL中用到的滤波器限制了支持的基波频率上限，因此在基波频率较高时，同步采样法一般无法支持;同样是滤波器原因，无法很好滤除低偶次谐波，所以低偶次谐波幅值较大时，PLL就无法同步基波采样，谐波分析结果也就完全错误。
频率重心法不需要额外滤波器，采样器件可工作在支持的最高采样频率，使有效谱线拉开的同时提高了支持的谐波频率范围，而为了消除泄漏的影响，需要使用更多的数据进
行傅里叶变换。
所以频率重心法引入了数倍于同步采样法的计算量。
另外，重心法需要使用至少两根谱线，而且受窗函数主瓣宽度限制，频率重心法所能支持的频率下限只能达到频率分辨率的三倍以上。
由于频率重心法没有反馈过程，不依赖于信号，模拟电路实现简单，理论上只要采样率和使用的数据点足够，就能得到正确的结果。
特别地，因为同步采样需要硬件电路，受限与成本与体积，大部分测量仪器只支持一到两个PLL源，而频率重心法无此限制，甚至可任意定义基波源(对应于PLL源，用于确定基波)。
应用实例
PA功率分析仪提供了三种谐波模式：常规谐波、谐波和IEC谐波。
其中常规谐波对应频率重心法、谐波和IEC谐波对应同步采样法。
谐波和IEC谐波区别在于IEC谐波完全按照IEC 61000-4-7标准规定的倍频数FFT点数进行计算，并增加了标准规定的处理流程和计算参数。
下面使用实例信号对比两种方法的区别：
信号一：基波频率50Hz，含2~15次谐波，各次含量均为10%
图1、50Hz基波2~15次含量10%谐波波形
图2、50Hz基波2~15次含量10%谐波常规谐波分析结果
图3、50Hz基波2~15次含量10%谐波的谐波模式分析结果如图1所示包含谐波的50Hz信号波形，常规谐波和谐波模式谐波均能得到正确的谐波含量，并且精度很高。
信号二：基波频率50Hz，含2~15的奇次谐波，各次含量同样均为10%
图4、50Hz基波2~15奇次含量10%谐波波形
图5、50Hz基波2~15奇次含量10%常规谐波分析结果
图6、50Hz基波2~15奇次含量10%谐波模式分析结果如图4所示只包含2~15次的奇次谐波的波形，常规谐波和谐波模式结果同样精确。
信号三：基波频率50，含2~15偶次谐波，各次含量均为10%
图7、50Hz基波2~15偶次含量10%谐波波形
图8、50Hz基波2~15偶次含量10%常规谐波分析结果
图9、50Hz基波2~15偶次含量10%谐波模式分析结果如图7所示只包含50Hz基波的2~15次的偶次谐波的波形，受偶次谐波的影响，每个基波周期多了两次过零，而且频率与基波相近，PLL的滤波器亦无法滤除该谐波，因此PLL结果错误，导致谐波分析结果也完全错误，此时的常规谐波分析结果仍然正确，而且保持了很高的精度。
说明常规谐波可以不受偶次谐波影响，在采样率和FFT点数足够时，具有受被测信号影响低的优势。
信号四：基波频率6kHz，含2~15次谐波，各次含量均为10%
图10、6kHz基波2~15次含量10%谐波波形
图11、6kHz基波2~15次含量10%常规谐波分析结果
图12、6kHz基波2~15次含量10%谐波模式分析结果如图10所示包含6kHz基波的2~15次谐波的波形，由于已经超出谐波模式支持的频率范围，谐波模式无法测量，而常规谐波分析时使用了200kHz的采样率，6kHz的15次谐波频率为90kHz，小于采样频率的一半，因此仍然可以精确测量。
总结
由上实例看出，非同步采样拓宽了谐波的分析范围，在许多同步采样受到约束的场合可以实现互补，是一种强有力的谐波分析方法。
需要指出的是，虽然以上用例中常规谐波分析结果都正确且精度很高，但在谐波模式PLL正确时，谐波模式在高次谐波的稳定性和精度会比常规谐波高，因为常规谐波在高次谐波的频率上有累积误差，且频谱两端会受负频率的影响。
特别需要注意常规谐波一个致命缺点是频率下限较高(PA5000功率分析仪的常规谐波支持基波的频率下限是
15Hz)，而且需要保证更新周期内有足够的采用点。