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《上海交通大学》 2012年
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基于准同步采样的电力系统谐波与间谐波在线检测方法研究

周峰  
【摘要】:谐波和间谐波是典型的电能质量问题。谐波是频率为基波频率整数倍的正弦电压或电流,而间谐波是频率为基波频率非整数倍的畸变成分。各种电力电子装置中的非线性元件都会产生谐波或间谐波,导致谐波和间谐波污染在电力系统中广泛存在并日趋严重。谐波和间谐波会危及供电系统的安全稳定运行,影响用电设备的正常稳定工作,因此,谐波和间谐波的治理越来越受到重视。 谐波与间谐波的参数测量是实现谐波和间谐波治理的前提,只有通过在线检测方式及时、准确地获取相关参数,才能实现谐波和间谐波补偿装置的最优配置。电力系统中的电压或电流存在无规律的波动,使得谐波和间谐波的准确测量较难实现。此外,间谐波具有幅值小,频率不确定的特点,在频谱上可能离谐波很近,两者之间会产生互相干扰,从而进一步增加谐波与间谐波测量的难度。 快速傅里叶变换(FFT, fast Fourier transform)是常用的谐波、间谐波检测方法,其优点是算法简单、计算量小,缺点是在非同步采样时存在频谱泄漏和栅栏效应,会对测量准确度造成较大影响。加窗插值FFT算法是抑制频谱泄漏和栅栏效应的有效方法,然而该方法在频率分辨率和计算量之间存在矛盾:阶数越高的窗函数抑制频谱泄漏效果越好,但其主瓣宽度也越宽,导致频谱上的频率分辨能力下降,为了保持足够的频率分辨率,需要增加采样数据长度,从而造成计算量的增加。 在分析离散傅里叶变换特点和缺陷的基础上,提出了基于准同步采样的谐波检测算法。该算法适用于电力系统缓变谐波的测量,通过将非同步采样信号准同步化,达到抑制频谱泄漏和栅栏效应的目的。算法首先采用带通有限冲激响应(FIR, finite impulse response)滤波器对非同步采样下得到的信号进行预处理,滤除基波频率以外的其它频率分量。然后对滤波信号使用过零比较法获取信号的基波周期,根据该基波周期,采用牛顿插值算法重构原始采样序列,使重构信号近似于同步采样信号。由于频谱泄漏和栅栏效应得到了显著抑制,根据重构信号的FFT结果就能获得各次谐波的准确参数。通过理论分析和仿真实验,讨论了阈值、采样频率、噪声等对谐波检测算法的影响,以及4阶牛顿插值算法的误差估计。 在谐波检测算法的基础上,提出了基于准同步采样的间谐波检测算法,该算法通过分离信号中的谐波与间谐波成分,达到抑制两者互扰的目的,能够同时实现谐波和间谐波参数的准确测量。间谐波检测算法首先利用谐波检测算法中的准同步化技术重构采样信号,将信号中的所有谐波分量准同步化。在准同步化过程中,设计了多采样率结构的窄带带通FIR滤波器对原始采样信号进行预处理,该滤波器阶数比窗函数法或最优方法设计的滤波器阶数少一个数量级。然后,使用梳状FIR滤波器分离重构信号中的所有谐波与间谐波分量。对于分离后的间谐波分量,使用谱峰搜索法找到各间谐波在频谱上对应的最大谱线,通过加窗插值FFT算法计算各间谐波的参数。对于提取到的谐波分量,根据其FFT结果直接计算各次谐波的参数。 在MATLAB环境下,通过与常用谐波、间谐波检测方法的对比仿真试验,验证了谐波检测算法在不同噪声干扰、低频率分辨率下的测量准确度,以及对信号波动的动态响应特性;验证了间谐波检测算法在噪声干扰下的测量准确度,以及相关滤波器的线性相位特性。将检测算法分别应用于自主研制的在线式电能质量分析仪PQM-F3和数字信号处理平台TDS6713EVM中,通过对标准源生成的谐波和间谐波信号进行测量,验证算法的有效性。最后,使用电能质量分析仪对市电电压信号进行了现场测试,测量了信号中的谐波含量。
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