非稳态电压闪变参数检测关键技术研究

摘要

随着社会科技的发展和全球电气化程度的越来越高，电网中各种波动性、冲击性和非线性负荷不断增多，导致三相不平衡、闪变等问题日渐突出。随着清洁能源的广泛使用和电网的智能化发展，太阳能和风能等新能源发电不断接入电网，高压直流输电设备和静止变频器等装置也大量应用于电网建设中，引起闪变的原因越来越多样，波形变化也更加复杂，呈现出非稳态等特点，因此，非稳态电压闪变参数的准确测量和分析技术已是当前国内外研究的重点内容。　　首先阐述非稳态电压闪变研究的历史背景与重要意义，介绍主要闪变源及其带来的危害，分析总结现有的调幅波闪变和间谐波闪变检测算法的优点与不足。　　针对传统的数字滤波器滤波时存在边界效应，提取非稳态闪变包络时出现误差的问题，根据研究构建调幅波闪变的数学模型，提出采用解析模式分解改进平方检波法中的滤波环节实现调幅波信号的准确提取。利用平方检波法将电压闪变信号转换为调幅波分量和工频及其以上频率的高频分量的线性组合，再通过解析模式分解提取出调幅波信号，并详细推导解析模式分解的滤波过程，最后在单一频率和多频率非稳态包络调制等情况下进行调幅波闪变包络提取仿真实验，并与常用检波方法进行仿真对比，验证本文提出的改进平方检波法提取非稳态调幅波闪变包络的准确性及其良好的抗噪性能，为非稳态调幅波闪变参数的准确测量提供有效保证。　　针对非稳态闪变参数难以准确检测的问题，深入研究变分模态分解基本原理，采用损失系数和能量差作为判断标准自适应确定变分模态分解的模态分解个数，在分解得到各模态分量后，通过Hilbert谱分析求取各分量的瞬时频率和瞬时幅值，提出基于自适应变分模态分解的非稳态闪变参数检测方法，并遵循IEC闪变仪检测原理简化检测流程。通过在单一频率非稳态包络调制、幅值时变包络调制、多频率非稳态包络调制、电网工频变动、叠加谐波以及噪声存在情形下的仿真实验，并与传统检测方法进行比较，表明该方法不仅具有更高的准确度，而且可以获得非稳态电压闪变包络分量的时域信息，能有效实现非稳态调幅波闪变的准确测量。　　深入研究间谐波与闪变之间的关系，构建对应间谐波闪变的数学模型，推导间谐波与电压峰值波动及方均根值波动之间的函数关系式，分别绘制出对应的闪变限制曲线。通过K-N互卷积窗并结合三谱线插值修正算法提取出基波参数并构建同步载波信号，利用同步解调实现对间谐波信号的解调，并采用解析模式分解提取波动频率分量，提出基于改进同步解调法和自适应变分模态分解的非稳态间谐波闪变参数检测方法。仿真实验表明，该方法不仅能检测更广频率范围内的间谐波引起的闪变，测量精度高且抗噪性能好，并能有效克服工频变动的影响。　　最后基于本文提出算法，搭建基于虚拟仪器的闪变参数检测实验平台。阐明整个系统的总体设计方案，编程实现调幅波闪变参数检测、间谐波闪变参数检测和信号数据采集等功能，并基于实验平台完成实测实验与分析，进一步证明本文方法的可行性和准确性。

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第 1 章 绪 论

1.1 本文研究背景和研究意义

1.2 电压波动与闪变的原因和危害

1.2.1 电压波动与闪变发生的原因

1.2.2 电压波动与闪变的危害

1.3 电压闪变参数检测的研究现状

1.3.1 调幅波闪变参数检测的研究现状

1.3.2 间谐波闪变参数检测的研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第 2 章 非稳态调幅波闪变包络提取方法研究

2.1 电压闪变数学模型

2.2 基于改进平方检波法的非稳态调幅波闪变包络提取

2.2.1 平方检波法

2.2.2 解析模式分解原理

2.2.3 调幅波闪变包络提取

2.3 仿真实验与分析

2.3.1 单一频率非稳态闪变包络提取

2.3.2 幅值时变闪变包络提取

2.3.3 多频率非稳态闪变包络提取

2.3.4 闪变包络提取方法比较

2.4 本章小结

第 3 章 非稳态调幅波闪变参数检测方法研究

3.1 变分模态分解

3.1.1 经典维纳滤波

3.1.2 希尔伯特变换

3.1.3 变分模态分解

3.2 自适应变分模态分解

3.3 基于自适应 VMD 的非稳态调幅波闪变参数检测

3.4 非稳态调幅波闪变参数检测流程

3.5 仿真实验和分析

3.5.1 单一频率非稳态包络调制

3.5.2 多频率非稳态包络调制

3.5.3 叠加谐波的影响

3.5.4 电网工频波动的影响

3.5.5 噪声干扰的影响

3.6 检测方法的比较

3.7 本章小结

第 4 章 非稳态间谐波闪变参数检测方法研究

4.1 间谐波闪变分析

4.1.1 间谐波闪变数学模型

4.1.2 有效值波动分析及其闪变限制曲线绘制

4.1.3 峰值波动分析及其闪变限制曲线绘制

4.2 电网同步载波信号获取

4.2.1 加窗插值 FFT 获取同步载波信号

4.2.2 仿真实验与分析

4.3 非稳态间谐波闪变参数检测方法

4.3.1 改进同步解调法

4.3.2 基于自适应 VMD 的非稳态间谐波闪变参数检测

4.4 非稳态间谐波闪变参数检测流程

4.5 仿真实验和分析

4.5.1 单一频率非稳态间谐波测试

4.5.2 间谐波对测试

4.5.3 多频率非稳态间谐波测试

4.5.4 电网工频波动的影响

4.5.5 噪声干扰的影响

4.6 本章小结

第 5 章 闪变参数检测系统设计与实现

5.1 系统构成与功能设计

5.2 闪变参数检测系统的软件设计

5.2.1 用户注册与登录模块

5.2.2 闪变参数测量模块

5.2.3 报表打印与数据存储

5.3 实测实验与分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录 A 攻读硕士学位期间参与的科研项目与科研成果