基于Prony的谐波间谐波检测方法和检测系统的研究与应用

摘要

随着电力系统中非线性负荷的广泛使用，电能质量问题日益严重，给电网和电力用户带来的危害也越来越大。电网的谐波、间谐波问题引起社会很大的关注。为了更好地监测、改善电网的电能质量，寻找更有效的电能质量检测分析方法变得尤为重要。
　　本文首先对广泛采用的三相电路瞬时无功功率理论方法进行研究，其中研究了p-q坐标系，ip-iq坐标系，d-q坐标系法的谐波检测方法。并通过构造信号源，对ip-iq法，d-q法进行Matlab仿真，验证了两者均能在电压畸变情况下有效检测谐波电流，其中d-q法在三相不对称情况中具有更高的相位检测精度。
　　针对离散傅里叶变换中存在的频谱泄漏、栅栏效应问题，本文通过分析非同步采样结果，阐述了其产生的原理。研究了加窗算法对于改进频谱泄漏的作用，并通过仿真比较各种加窗函数的主瓣宽度以及旁瓣衰减速率，提出汉宁窗对于抑制频谱泄漏现象效果最佳。通过仿真研究了补零法对于改善FFT变换的作用。
　　针对传统傅里叶变换在非同步采样条件下存在频谱泄漏，以及谐波和间谐波在分析过程中相互之间存在干扰的问题，本文创新性地提出一种基于准同步-梳状滤波器分离-Prony谱分析算法（QS-Prony）。该算法首先使用基于频移算法的准同步采样技术，通过构造同步采样序列，实现非同步采样信号的准同步化。为了避免信号中谐波、间谐波之间的互扰问题，对频移后的准同步序列使用梳状FIR陷波型滤波器近一步分离。随后采用Prony谱分析法，使用指数函数的线性组合来拟合采样数据，并提取信号的频率、幅值、相位等特征量。在不同强度的噪声干扰环境下对比验证了加窗插值FFT算法（WI-FFT）、准同步-梳状滤波器分离-加窗插值 FFT算法（QS-WI-FFT）、准同步-梳状滤波器分离-Prony谱分析算法（QS-Prony）的准确度。实验结果表明QS-Prony法可以有效解决非同步问题，有效避免了谐波、间谐波之间的互扰，并且相比FFT算法具有较高的频率分辨率。
　　以FPGA为控制核心设计了下位机信号采集电路，包含电流、电压互感器选型，输入级电路设计、前置放大电路设计以及AD转换电路设计与功能验证。采用ADS8364这款16位6通道同步采样数模转换芯片。针对上位机算法中，Prony谐波检测算法对噪声敏感的特性，在硬件设计中创新性地对电路的抗噪性能进行了优化处理。设计了FPGA的程序模块，并采用独热码设计了三段式AD采样程序。
　　搭建了基于LabVIEW的电能质量检测系统，系统主要包括：实时波形显示模块，有效值、功率检测模块，谐波检测模块。其中谐波检测模块采用基于Prony的准同步采样算法，可显示1到30次谐波含量。然后通过测试实地电网信号，与日置3196电能质量测试仪进行对比分析，结果表明在电压、电流、功率测量方面，两者具有相似的检测精度，但日置3169明显受到频率分辨率的限制，难以精确地检测出间谐波值，而本测试系统可以较精确地检测出各次间谐波值。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义(Research Background and Significance of the Thesis)

1.2国内外研究现状（Overseas and Domestic Research Status）

1.3本文的主要研究内容（The Main Work of the Thesis）

2现有谐波间谐波检测算法及其存在的问题

2.1瞬时无功功率理论谐波检测方法研究与仿真(The Study and Simulation of Harmonic Detection Method Based on Instantaneous Reaction Power Theory)

2.2傅里叶变换方法(Fourier Transformation Method)

2.3傅里叶方法存在的问题(The Problems Existinginthe Fourier Method)

2.4傅里叶方法的改进(Improvement of FourierMethod)

2.5本章小结(The Summary of This Chapter)

3基于Prony的准同步谐波、间谐波检测算法

3.1频移算法的数学原理(The Theory of Frequency-shift Algorithm)

3.2梳状FIR滤波器的设计(Comb FIR Filter Design)

3.3 Prony谱分析算法原理(Principle of Prony Spectral Analysis Algorithm)

3.4 基于Prony的准同步采样谐波、间谐波仿真分析(The Simulation of Quasi-Synchronous Harmonic and Interharmonic Analysis Based on Prony Method)

3.5本章小结(The Summary of This Chapter)

4系统硬件设计

4.1FPGA核心处理单元（The FPGA Processing Unit）

4.2电源模块设计(Power Supply Module Design)

4.3模拟量输入级电路(Analog Input Stage Circuit)

4.4辅助频率测量电路硬件设计(Auxiliary Frequency Measurement Circuit Design)

4.5 A/D采集电路设计(A/D Conversion Circuit Design)

4.6 电路低噪声优化设计(Optimization Design of Low Noise Circuit)

4.7FPGA逻辑设计综合(The FPG ALogic Synthesis)

4.8本章小结(The Summary of This Chapter)

5基于LabVIEW的系统软件设计

5.1LabVIEW程序及界面设计(Programand Interface Designof LabVIEW)

5.2系统实验分析(Experimental Analysis)

5.3误差分析(Error Analysis)

5.4本章小结（The Summary of This Chapter）

6 结论

6.1本文总结(Conclusion of the Thesis)

6.2展望(Prospect)

参考文献

作者简介

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