谐波检测算法研究

【摘要】近年来，随着电力电子技术的不断发展，大量整流、变频、调压装置及电弧炉、家用电器等非线性设备在电网中广泛应用，使得配电网中谐波污染严重，造成电能质量水平下降和各种电气设备的故障，对电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的威胁，谐波已成为电力系统的一大公害。准确测量谐波是谐波治理及设备检验等与谐波相关问题获得解决的前提与基础。电网中不仅含有稳态谐波分量，还含有间谐波分量以及时变谐波分量，为了估计上述不同类型的谐波分量的频率、幅值、相位等参数，本文分析了傅里叶变换算法、小波变换算法及旋转不变子空间算法在谐波参数估计中的特点，仿真研究了各种算法的参数估计性能，对比了不同方法在的谐波参数估计中的优劣。结合旋转不变子空间算法的高精度频率估计特点和小波变换适合检测突变信号的特性，提出了一种基于旋转不变子空间和小波变换技术的混合算法，仿真结果表明该算法在谐波检测时，较传统的傅里叶变换算法具有更高的精度，并且弥补了其不能检测时变谐波信号的不足。相关的研究工作总结如下：（1）基于傅里叶变换的谐波分析在深入研究傅里叶变换原理的基础上，分析了离散傅里叶变换在谐波分析中产生频谱泄漏及栅栏效应的原因。通过添加窗函数，改进了离散傅里叶变换算法，并给出窗函数的选取原则。对含有不同谐波成分、不同长度及受不同噪声干扰时的信号进行仿真分析。（2）基于小波变换的谐波分析针对傅里叶变换算法易受噪声干扰且无法分析时变谐波的不足，研究了小波变换算法。本文推导了离散小波变换的有效值计算公式，选取了dmey小波作为母小波函数，仿真分析了其检测信号中谐波含有率及检测谐波变化波形的检测性能；将小波脊引入到连续小波变换中，通过小波脊局部最大值来提取信号中的谐波、间谐波分量，推导了连续小波变换参数的选取公式，运用分段尺度调整思想对含有子谐波和间谐波的信号进行分析，将仿真分析结果与傅里叶变换算法进行比较。（3）基于旋转不变子空间技术和小波变换算法的谐波检测方法离散小波变换算法难以估计谐波、间谐波的频率，因此无法确定多分辨率分析的分解层数，而连续小波变换在整个尺度范围内对信号进行分析，计算量非常大。针对这些问题，引入了空间谱估计理论中的旋转不变子空间技术，研究了信号中正弦分量个数估计的最小长度准则算法，并采用欧拉定理将时域的采样信号转换为空域信号。仿真分析了时变谐波、噪声、阵元数、信号长度对旋转不变子空间算法频率估计性能的影响。结合小波变换算法提出一种混合的谐波、间谐波检测方法，并制定了新方法检测谐波、间谐波的步骤。（4）仿真验证搭建了同步发电机三相短路故障和高压直流输电系统的仿真电路模型，以分别产生时变谐波和稳态谐波，理论计算了各模型产生的谐波构成。并采用本文提出的新方法及加窗傅里叶变换算法对电路产生的信号进行谐波分析，对比两种算法的分析结果，验证新方法的性能。
【作者】陈超；
【导师】薛凌云；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，检测技术与自动化装置，2014，硕士
【关键词】谐波检测；傅里叶变换；小波变换；子空间旋转不变技术；

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