基于加窗功率谱估计的间谐波检测方法研究

论文摘要

随着电力电子装置等非线性元件在电网中的广泛使用,电网中的电压电流波形畸变越来越严重,出现了大量的间谐波,导致电能质量污染加剧,影响电力系统设备的安全运行,所造成的危害引起人们的重视。传统的傅立叶变换在谐波检测中取得了很大的成功,但是由于间谐波具有不确定性、随机性,很难进行整周期采样,其本身的特点决定了对它的检测难于对谐波的检测,为此本论文对现有的间谐波分析算法及其理论基础作了回顾和探讨,指出了各种算法的优点和局限性。功率谱估计在随机信号的处理中有其优势所在,其可以从统计的角度来描述信号的频域特性,本论文对该方法进行了研究,在系统探讨该方法的基础上,发现了其对非整周期采样下的信号进行频谱估计的不足的根本所在,将能对频谱泄漏进行抑制的窗函数引入到功率谱估计之中,针对非整周期采样信号,确定了窗函数所加的位置;并深入研究了各类窗函数的性能,分析了其频谱特性及应用场景,从理论上推导了窗函数对自相关函数及谱估计的影响,通过仿真研究,发现在非整周期采样情况下,加旁瓣衰减快的窗函数所得到的谱估计能有效地在频谱上区分出小能量信号,较傅立叶变换以及传统的功率谱估计有更好的精度,完善了功率谱估计的在频谱泄漏方面的不足。同时利用虚拟仪器平台测试了各类窗函数在谱估计中的应用效果,实现了在非整周期采样下间谐波的有效检测;通过实验,验证了Hanning窗在功率谱估计中的应用效果,并且与仿真分析结果是一致的。这一部分VI可以作为基于虚拟仪器的电能质量检测系统的一个补充组成部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 间谐波的基本概念
• 1.3 间谐波的特点及研究现状
• 1.4 间谐波的主要来源
• 1.5 间谐波的危害
• 1.6 本文所做的工作
• 2 间谐波检测的理论及方法
• 2.1 基于FFT 的间谐波分析方法
• 2.1.1 加矩形窗的FFT 间谐波分析方法
• 2.1.2 加汉宁窗的FFT 间谐波分析方法
• 2.1.3 基于加窗插值FFT 的间谐波分析方法
• 2.2 基于参数化功率谱估计的间谐波分析方法
• 2.2.1 Burg 法估计
• 2.2.2 协方差法
• 2.3 基于特征值分解的间谐波分析方法
• 2.3.1 扩充的prony 方法
• 2.3.2 pisarenko 方法（PHD）
• 2.3.3 多重信号分类法（Music）
• 2.4 基于小波变换的间谐波分析方法
• 2.5 奇异值分解（SVD）
• 2.6 基于计算机学习的检测方法
• 2.6.1 人工神经网络
• 2.6.2 基于稳健支持向量机
• 2.7 时频分布理论
• 2.8 本章小结
• 3 功率谱估计的改进方法
• 3.1 传统的经典功率谱估计
• 3.1.1 周期图法（直接法）
• 3.1.2 Bartlett 方法
• 3.1.3 Welch 方法
• 3.2 直接法功率谱估计的不足
• 3.3 功率谱估计的改进
• 3.3.1 加窗在功率谱中的引入
• 3.3.2 窗函数对功率谱影响的理论推导
• 3.3.3 加窗位置的确定
• 3.3.4 窗函数的性能比较
• 3.3.5 窗函数的时域波形及幅值谱曲线
• 3.4 本章小结
• 4 加窗功率谱估计方法的仿真研究
• 4.1 窗函数的选择
• 4.2 加 Hanning 窗的功率谱估计
• 4.2.1 针对幅值相差很大的信号的仿真
• 4.2.2 针对频率非常接近的信号的仿真
• 4.3 加 Blackman 窗的功率谱估计
• 4.4 加其他窗的功率谱估计
• 4.5 各类窗函数在谱估计应用中的定量比较与定性分析
• 4.6 本章小结
• 5 实验验证
• 5.1 间谐波源的产生
• 5.2 实验流程图
• 5.3 数据采集的实现
• 5.3.1 信号采集卡
• 5.3.2 数据采集VI
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 针对基波与三次谐波
• 5.4.2 针对三次谐波及与其相邻频率的间谐波
• 5.4.3 针对相邻频率的间谐波
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士期间发表的论文