谐波算法研究与谐波分析仪研发(附件)【字数：14473】
摘 要随着国家对智能电网的大力建设，谐波作为影响电能质量的一个重要因素受到有关部门的高度重视。本文介绍了谐波的危害和谐波测量常用的方法，对以DFT为原理的谐波和间谐波测量方法进行了研究。阐述了基本的测量原理以及频谱泄漏和栅栏效应产生的原因，讨论了同步采样和非同步采样。“加窗”处理是解决频谱泄漏问题的常用方法，本文通过对矩形窗、汉宁窗、自卷积窗等窗函数的仿真实验分析了各个窗的性能，重点研究了自卷积窗。通过对信号进行加窗仿真，比较了上述几种窗的加窗效果和相位敏感性，得到了一些对谐波分析有用的结论。最后，本文根据已有的理论设计开发了一套谐波分析仪，该分析仪采用AD73360+DSP结构，其中DSP选择TI公司的TMS320F2812，硬件结构还包括存储模块，显示模块等。本文介绍了程序处理流程。经过福禄克公司的Fluke6100A并对装置进行了测试，测试结果表明，该分析仪符合IEC规定的A级仪表的标准。
Keywords: spectral leakage, picket fence effect, harmonic, interharmonics, windowed FFT 目 录
第一章 绪论 1
1.1 电力系统谐波 1
1.2 谐波测量方法 1
1.3 本文的主要内容以及组织结构 2
第二章 基于DFT的谐波测量 4
2.1 引言 4
2.2 DFT原理及其快速算法FFT 4
2.3 频谱泄漏与栅栏效应 6
2.4 同步采样和非同步采样 8
2.4.1 同步采样 8
2.4.2 非同步采样[1012] 8
第三章 加窗算法研究 10
3.1 引言 10
3.2 各种窗函数分析 10
3.2.1 矩形窗[13] 10
3.2.2 Hanning窗 13
3.2.3 三角窗 15
3.2.4 组合余弦窗 16
3.3 卷积窗 19
3.3.1 矩形自卷积窗 19
3.3.2 Hanning自卷积窗 20
3.3.4 总结 25
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
窗函数的相位敏感性仿真研究 25
3.4.1 常见窗的相位敏感性仿真研究 26
3.4.2 自卷积窗的相位敏感性仿真研究 30
3.4.3 总结 33
第四章 基于DSP的谐波分析仪 34
4.1 谐波分析仪概述 34
4.2 谐波分析仪硬件部分 35
4.2.1 硬件结构图 35
4.2.2 TMS320F2812芯片[3036] 35
4.2.3 AD73360芯片[3740] 36
4.2.4 同步环节的实现 36
4.3 谐波分析仪的软件部分 36
4.3.1 软件流程图 37
4.4 测试结果 38
第五章 总结与展望 42
致 谢 43
参考文献 44
第一章 绪论
1.1 电力系统谐波
从人类开始使用交流电开始，谐波问题就已经存在。早期的电力系统设计中已经考虑到电压和电流波形的畸变。近年来随着电力电子技术的发展，由于大量非线性设备的使用带来的谐波问题已经威胁到电力系统安全、稳定、经济运行。谐波作为电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。因此，有关部门已经重视电力系统谐波问题的研究。
在理想的情况下，电力的供应应该是具有正弦波形的电压。但实际的供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。国际上公认的谐波定义如下：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[1]。而间谐波的定义为：频率介于两个连续谐波频率之间的电气信号的频谱分量。
谐波产生的根本原因是由于非线性负荷的大量使用。非线性负荷是指在正弦波电压下产生非正弦电流或者正弦电流下产生非正弦电压的设备。这些非线性负荷在工作时产生高次谐波，造成供电系统的电压、电流波形畸变，影响电能质量。因此，谐波是电能质量的重要指标之一。
谐波的存在增加了电力设备的附加损耗，使其过热，缩短了使用寿命，同时使电能效率降低。另外降低了继电保护动作的正确率，干扰了控制、通信电路和用户负荷[2]。所以谐波测量算法作为研究谐波的重要途径，对它的研究有着重要意义。
1.2 谐波测量方法
目前主要的测量方法主要有以下几种[3]：
1、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目前应用最广泛的方法。它由离散傅里叶变换到快速傅立叶变换的基本原理组成。该方法精度高，性能好，使用方便，缺点是计算量大，试验结果实时性差。如果信号频率与采样频率不一致，则会产生频谱泄漏和栅栏效应，使得计算结果不准确，特别是在相位误差上，不能满足精度要求。因此必须对算法进行改进。减少频谱泄漏的方法主要有 3 种：
利用加窗插值算法修正快速傅立叶算法。该方法能有效地抑制杂波干扰，有效地抑制杂波干扰，准确测量各谐波电压和电流的幅值和相位。
修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。
利用数字式锁相器(DPLL)同步信号频率和采样频率。这种方法实时性好。
基于瞬时无功功率的谐波测量
瞬时无功功率理论在三相三线制电路和有源电力滤波器中的应用较多，当电网电压对称无畸变时，可以检测基波正序无功分量、不对称分量和高次谐波分量。在此基础上提出了两种改进的检测方法：pq法和ipiq法。pq方法适用于电网电压对称情况，而ipiq法在电网电压波形畸变和电网电压中的应用更为广泛。同样的情况也适用于不对称。然而，用pq方法测量网络电压畸变的谐波有很大的误差。这两种方法的测量电路简单，实时性好，缺点是硬件多，昂贵和繁琐实施。瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和无储能元件谐波和无功补偿问题。对无功补偿装置进行谐波控制和研究开发是十分重要的。
采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波
Keywords: spectral leakage, picket fence effect, harmonic, interharmonics, windowed FFT 目 录
第一章 绪论 1
1.1 电力系统谐波 1
1.2 谐波测量方法 1
1.3 本文的主要内容以及组织结构 2
第二章 基于DFT的谐波测量 4
2.1 引言 4
2.2 DFT原理及其快速算法FFT 4
2.3 频谱泄漏与栅栏效应 6
2.4 同步采样和非同步采样 8
2.4.1 同步采样 8
2.4.2 非同步采样[1012] 8
第三章 加窗算法研究 10
3.1 引言 10
3.2 各种窗函数分析 10
3.2.1 矩形窗[13] 10
3.2.2 Hanning窗 13
3.2.3 三角窗 15
3.2.4 组合余弦窗 16
3.3 卷积窗 19
3.3.1 矩形自卷积窗 19
3.3.2 Hanning自卷积窗 20
3.3.4 总结 25
3.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
窗函数的相位敏感性仿真研究 25
3.4.1 常见窗的相位敏感性仿真研究 26
3.4.2 自卷积窗的相位敏感性仿真研究 30
3.4.3 总结 33
第四章 基于DSP的谐波分析仪 34
4.1 谐波分析仪概述 34
4.2 谐波分析仪硬件部分 35
4.2.1 硬件结构图 35
4.2.2 TMS320F2812芯片[3036] 35
4.2.3 AD73360芯片[3740] 36
4.2.4 同步环节的实现 36
4.3 谐波分析仪的软件部分 36
4.3.1 软件流程图 37
4.4 测试结果 38
第五章 总结与展望 42
致 谢 43
参考文献 44
第一章 绪论
1.1 电力系统谐波
从人类开始使用交流电开始，谐波问题就已经存在。早期的电力系统设计中已经考虑到电压和电流波形的畸变。近年来随着电力电子技术的发展，由于大量非线性设备的使用带来的谐波问题已经威胁到电力系统安全、稳定、经济运行。谐波作为电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。因此，有关部门已经重视电力系统谐波问题的研究。
在理想的情况下，电力的供应应该是具有正弦波形的电压。但实际的供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。国际上公认的谐波定义如下：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[1]。而间谐波的定义为：频率介于两个连续谐波频率之间的电气信号的频谱分量。
谐波产生的根本原因是由于非线性负荷的大量使用。非线性负荷是指在正弦波电压下产生非正弦电流或者正弦电流下产生非正弦电压的设备。这些非线性负荷在工作时产生高次谐波，造成供电系统的电压、电流波形畸变，影响电能质量。因此，谐波是电能质量的重要指标之一。
谐波的存在增加了电力设备的附加损耗，使其过热，缩短了使用寿命，同时使电能效率降低。另外降低了继电保护动作的正确率，干扰了控制、通信电路和用户负荷[2]。所以谐波测量算法作为研究谐波的重要途径，对它的研究有着重要意义。
1.2 谐波测量方法
目前主要的测量方法主要有以下几种[3]：
1、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目前应用最广泛的方法。它由离散傅里叶变换到快速傅立叶变换的基本原理组成。该方法精度高，性能好，使用方便，缺点是计算量大，试验结果实时性差。如果信号频率与采样频率不一致，则会产生频谱泄漏和栅栏效应，使得计算结果不准确，特别是在相位误差上，不能满足精度要求。因此必须对算法进行改进。减少频谱泄漏的方法主要有 3 种：
利用加窗插值算法修正快速傅立叶算法。该方法能有效地抑制杂波干扰，有效地抑制杂波干扰，准确测量各谐波电压和电流的幅值和相位。
修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。
利用数字式锁相器(DPLL)同步信号频率和采样频率。这种方法实时性好。
基于瞬时无功功率的谐波测量
瞬时无功功率理论在三相三线制电路和有源电力滤波器中的应用较多，当电网电压对称无畸变时，可以检测基波正序无功分量、不对称分量和高次谐波分量。在此基础上提出了两种改进的检测方法：pq法和ipiq法。pq方法适用于电网电压对称情况，而ipiq法在电网电压波形畸变和电网电压中的应用更为广泛。同样的情况也适用于不对称。然而，用pq方法测量网络电压畸变的谐波有很大的误差。这两种方法的测量电路简单，实时性好，缺点是硬件多，昂贵和繁琐实施。瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和无储能元件谐波和无功补偿问题。对无功补偿装置进行谐波控制和研究开发是十分重要的。
采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波
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