基于Hilbert变换和FFT改进算法的谐波电能计量技术研究

发布时间：2017-07-27 09:37

  本文关键词：基于Hilbert变换和FFT改进算法的谐波电能计量技术研究

  更多相关文章： 谐波电能 改进FFT Rife-Vincent窗 FIR型Hilbert数字滤波器 三谱线插值

【摘要】：随着电力电子器件和冲击性非线性设备的广泛应用,电力系统中谐波问题也日渐严重。大量谐波的涌入,造成电网电压波形畸变,使电能质量下降,给发电设备和用电设备带来严重危害。对谐波进行检测和治理,是电力系统安全和经济运行的前提,准确的电能计量是保障电力部门合理收费的依据。本文开篇概述谐波的基本概念及其主要来源,介绍谐波对电力系统和用户产生的危害,以及对电力部门电能计量的影响,并分析当前谐波分析方法和电能计量方法的优缺点。针对电网频率波动导致的非同步采样、信号截断引起的频谱泄露以及电力参数计算复杂等问题,本文建立一种基于4项1阶莱夫-文森特(Rife-Vincent, RV)窗三谱线插值FFT谐波分析改进算法。通过分析窗函数的指标,选择旁瓣性能较好的4项RV(I)窗对信号进行截断处理,减少非同步采样和信号截断产生的频谱泄露误差；采用三谱线插值算法对计算结果进行修正以减少栅栏效应产生的误差；利用余弦组合窗函数主瓣内两相邻谱线间的相位特性减少开方运算,降低运算的复杂度。仿真结果表明,该方法能有效克服频率波动和白噪声的影响,对谐波幅值、相位等参数的测量以及谐波有功电能计量具有较高的计算精度。针对功率三角法等计量无功不准的问题,研究一种基于Hilbert变换的无功功率计量算法,通过设计一种线性相位FIR型Hilbert数字滤波器,将各次谐波进行90°移相,进而采用有功功率的计算方式实现无功的准确计量。经过仿真验证,本文设计的FIR型Hilbert滤波器能保持幅值不变的前提下将各次谐波准确移相900,从而实现无功功率的准确计算。在本文研究的基于4项RV(I)窗三谱线插值FFT谐波分析改进算法和FIR型Hilbert变换无功计量算法的基础上,设计一款基于ADC+DSP构架的谐波电能计量装置。按照模块化设计流程完成系统硬件设计和软件设计,并详细介绍信号调理电路、以ADS8556为核心的数据采集模块和以TMS320C6745为核心的数据处理模块等的电路设计,给出该系统主程序模块、系统初始化模块等的软件设计流程。最后,对系统测量误差来源从硬件电路和软件算法两个角度进行分析,给出具体的解决办法并完成电力参数的校准。
【关键词】：谐波电能 改进FFT Rife-Vincent窗 FIR型Hilbert数字滤波器 三谱线插值
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM933.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 谐波及其危害10-12
• 1.1.1 谐波的基本概念10-11
• 1.1.2 电力系统主要谐波源11
• 1.1.3 谐波的危害11-12
• 1.2 谐波电能计量技术研究现状12-14
• 1.3 项目来源与本文研究的主要工作14-16
• 第2章 电能参数测量方案研究16-24
• 2.1 电能参数16-21
• 2.1.1 基本参数定义及其计算方法16-18
• 2.1.2 谐波分析指标18
• 2.1.3 无功功率计算方法18-21
• 2.2 谐波电能计量算法21-23
• 2.2.1 谐波有功电能计量算法22
• 2.2.2 谐波无功电能计量算法22-23
• 2.3 电能计量算法实现方案23-24
• 第3章 谐波电能计量算法理论分析24-46
• 3.1 基于RV窗改进FFT的谐波电能计量24-32
• 3.1.1 基于FFT谐波分析方法的理论依据24-26
• 3.1.2 窗函数的指标和选取原则26-28
• 3.1.3 4项RV(Ⅰ)窗三谱线插值FFT改进算法28-32
• 3.1.4 4项RV(Ⅰ)窗三谱线插值FFT的谐波有功电能计量方法32
• 3.2 基于FIR型Hilbert变换的无功电能计量方法32-37
• 3.2.1 Hilbert变换测量无功功率的理论基础33-34
• 3.2.2 FIR型Hilbert滤波器的设计与实现34-37
• 3.3 谐波电能计量算法的MATLAB仿真37-46
• 3.3.1 4项RV(Ⅰ)窗三谱线插值FFT改进算法的谐波分析仿真37-41
• 3.3.2 4项RV(Ⅰ)窗三谱线插值FFT的谐波有功电能计量仿真41-43
• 3.3.3 FIR型Hilbert变换算法的无功电能计量仿真43-46
• 第4章 谐波电能计量系统研究46-61
• 4.1 谐波电能计量系统硬件设计46-57
• 4.1.1 系统硬件总体框架46-47
• 4.1.2 测量变换与模数转换模块47-51
• 4.1.3 数据处理模块51-53
• 4.1.4 存储器扩展模块53-55
• 4.1.5 通信接口模块55-56
• 4.1.6 电源模块56-57
• 4.2 谐波电能计量系统软件设计57-61
• 4.2.1 系统软件整体设计流程57
• 4.2.2 主程序模块57
• 4.2.3 系统初始化模块57-59
• 4.2.4 数据处理和电能计量模块59-61
• 第5章 系统误差分析与参数校准61-69
• 5.1 误差来源分析61-65
• 5.1.1 硬件电路引入误差分析61-63
• 5.1.2 软件算法运行误差分析63-65
• 5.2 电力参数的校准65-69
• 5.2.1 电压偏差校准66
• 5.2.2 频率偏差校准66-67
• 5.2.3 谐波测量结果校准67-69
• 结论69-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文76-77
• 附录B FIR型Hilbert滤波器设计部分代码77-78

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本文编号：580827