基于加窗插值和复调制细化法的谐波/间谐波检测研究

摘要

在当今全球能源互联的情况下，越来越多的电力电子装置以及波动电源和波动负荷将在电力系统中被广泛使用，使得电能质量污染问题愈发突出。电力系统中不仅存在整数次谐波成分，而且还存在非整数倍的谐波，即间谐波。间谐波不仅具有谐波带来的危害，还会引发系统电压出现波动与闪变。谐波、间谐波的有效治理是电力系统安全运行的重要保证，然而谐波、间谐波的精确检测是治理的前提，因而有必要对谐波、间谐波检测算法进行探究。 傅里叶变换是常用的谐波、间谐波检测方法。傅里叶变换算法的最大问题就是由于信号的不可预知和波动性，使得很难对其同步采样，因而会产生频谱泄漏和栅栏效应。加窗函数可以有效抑制频谱泄漏，插值可以有效解决栅栏效应现象，然而现有的加窗插值傅里叶变换存在一个矛盾问题，精度较高的加窗插值算法计算量较大，精度较低的加窗插值计算量较小。基于此问题，本文提出采用3项3阶Nuttall窗双谱线插值的计算方法，此算法相对其它窗函数插值计算方法有着检测精度较高且计算量不大的优点，可作为有效解决频谱泄漏和栅栏效应问题的检测方法。 加窗插值算法一般由于受频率分辨率的约束，当信号存在密集谱成分时，由于基波或谐波对间谐波的严重泄漏干扰，会使得间谐波的检测出现较大误差。本文采用具有高频率分辨率的改进复调制细化方法来作为密集谱信号成分的检测方法。改进的复解析带通滤波器复调制细化分析通过构造复解析带通滤波器，对信号密集谱区域进行采样、选抽低通滤波、移频和FFT频谱分析来获得精确的密集谱信号成分。与传统的复调制细化先对信号进行移频再复解析带通滤波相比，其避免了复杂的频率调整过程，有助于减少工作的计算量。 通过理论分析，根据信号主瓣的最大谱线和次最大谱线的相位特性即可判断信号中的各成分是否存在频谱干扰，即是否存在密集谱。最后本文提出一种综合运用加窗插值与复调制细化谱算法相结合的分析方法，该方法根据加窗信号主瓣内相邻谱线之间的相位特性来判断主瓣的峰值谱线是否存在干扰。若存在主瓣干扰，以该最大谱线为中心频率的一定频段范围内进行复调制细化，得到该频段处相隔较近的谐波、间谐波参数。若不存在主瓣干扰，通过加窗插值直接获得该频段处的谐波、间谐波参数。重复以上步骤分别获得信号的其它谐波、间谐波成分。最后，算例仿真误差结果验证了该方法的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1电力系统谐波、间谐波介绍

1．2电力系统谐波、间谐波的来源与危害

1．2．1电力系统谐波、间谐波的来源

1．2．2电力系统谐波、间谐波的危害

1．2．3电力系统谐波、间谐波的研究意义

1．3国内外研究现状

1．4本文主要研究内容和研究成果

第二章谐波间谐波的FFT检测方法

2．1 DFT算法的原理

2．2 FFT算法的原理

2．3 DFT和FFT运算量比较

2．4傅里叶变换谐波检测的局限性

2．4．1采样问题及频谱混叠

2．4．2频谱泄漏

2．4．3栅栏效应

2．5加窗插值算法研究

2．5．1二项系数的余弦窗函数插值原理

2．5．2三项系数的余弦窗函数插值原理

2．6 Nuttall窗插值FFT算法

2．7仿真分析

2．7．1谐波在同步采样条件下的仿真分析

2．7．2谐波在非同步采样条件下的仿真分析

2．7．3间谐波存在条件下的非同步采样分析

2．8本章小结

第三章复调制细化的谐波间谐波检测方法

3．1复调制细化谱分析方法

3．1．1复调制细化谱算法原理

3．1．2复解析带通滤波器的设计原理

3．2复解析带通滤波器的复调制细化谱改进的算法

3．3仿真分析

3．3．1谐波、间谐波在非密集谱条件下的仿真

3．3．2谐波、间谐波在密集谱下的仿真分析

3．4本章小结

第四章基于加窗插值和复调制细化法的谐波间谐波检测

4．1谐波、间谐波主瓣干扰判断

4．2算法的提出

4．3临界值和终止值的选取

4．4仿真

4．4．1算例1

4．4．2算例2

4．5本章小结

结论

本文总结

参考文献

致谢

附录