论文研究-基于DSP的电力系统谐波治理研究 .pdf

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基于DSP的电力系统谐波治理研究,许胜有,李雅梅,在电力系统中,谐波问题一直是一个大问题,早就引起了人们的极大关注。本文主要通过在对谐波的特点的分析和研究的基础上,运用MAT
山国武技记文在 的测量。其中,第二条曲线是加了串联的无源滤波电路之后的示波器的显示情况,而 第三条是原始的信号。从中可以看出,原始的信号曲线上有很多的小尖峰,说明原始信号是 含有一定的髙次谐波分量的,但经过无源滤波电路过后,尖峰明显少了很多。说明进过滤波 可以有效的滤除电力系统中的高次谐波分量的。 电力系统谐波信号的叠加模拟 谐波的定义在国际上被公认的是:谐波是一个周期电气量的止波分量,其频率为基波 频率的整数倍。说明了电力系统中的谐波是含有很多次数不等的谐波分量叠加在起形成 的,是有许多次数不等的谐波的叠加模拟。它包括直流分量、基波分量和许多次数不等的咼 次谐波。电力系统中的高次谐波的次数严重的可以达到多次。 谐波信号 是分别由、 次不同次数的谐波叠加的一个模拟电力系统的谐波信号。下面是其信号叠加后 效果图 图诸波信号的叠加 喏汲模拟信号三维图形 个一一一,一个 谐波叠加信号 时间 图模拟信号的维图形 Analog signal 山国武技记文在 从图可以看出,基波分量的图像是·条止选曲线,经过和不同的高次谐波叠加之后形 成了·个方波的图像,表明高次谐波对电力系统的影响是巨大的,考虑到谐波对电力系统的 巨大影响,对电力系统中谐波的治理尤为重要。 电力系统谐波的处理 随着计算机技术和电力电子技术的迅速发展,基傅叶变换的对谐波的治理检测方 法是速度最快也是应用最为广泛的一种方法,它是由离散傅里叶变换过渡到快速傅里叶变换 的基本原坦构成的,模拟信号经采样,离散化为数字序列信号后,然后经过计算机技术对谐 波进行信号特点的分析和数据的计算,得到基波分量和各次不同次的谐波的幅值和相位,并 且能够从中获得更多更有用的信息,如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析 等等,各种分炘计算结果可在计算机屏幕上显示或按人们的需要打印输出。使用这种方法测 量谐波的精度比较高,对谐波的可应用功能也比较多,使用起来更加方便。所以,本次实验 对谐波信号的分析和处理,是在 的平台下仿真,基于变换的基础上,先对各 次谐波进行叠加模拟处理,然后做出其在时域下的信号图像,又对谐波数据进行变换, 做出其在复数域下的频谱图像,之后又对经过傅里叶变换后的信号进行滤波处理,对其作综 合的分析和研究。 傅立叶变换是一种分析信号的方法,它可分析信号的成分,也可用这些成分合成某些 弓。许多波形可作为信号的成分,比如正弦波、方波、锯齿波等,傅立叶变换用正弦波作为 信号的成分。是的周期函数,如果满足狄利克雷条件:在个周期内具有有限个间断 点,且在这些间断点上,函数是有限值;在一个周期内具有有限个极值点,绝对可积。称为 积分运算的傅立叶变换。傅里交换公r: 快速傅氏变换(),是离散傅氏变換的快速算法,它是棖据离散傅氏变换的奇、偶 虚、实等特性,对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。它对傅氏变换的理论并没有新的 发现,但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立卟变换,可以说是进∫一大步。 设为项的复数序列,由变换,任 的计算都需要次复数乘法和 次复数加法,而一次复数乘法等于四次实数乘法和两次实数加法,一次复数加法等丁两次实 数加法,即使把一次复数乘法和一次复数加法定义成一次“运算”(四次实数乘法和四次实数 加法),那么求出项复数序列的(),即点变换大约就需要次运算。当 点甚至更多的时候,需要 次运算,在中,利用周期性和对 称性,把一个项序列(设 为正整数),分为两个项的子序列,每个点 变换需要()次运算,再用次运算把两个点的变换组合成一个点 的变换。这样变换以后,总的运算次数就变成 。继续上面的例 子 时,总的运算次数就变成了 次,节省了大约的运算量。而如果我 们将这种“一分为二”的思想不断进行下去,直到分成两两一组的运算单元,那么点 的变换就只需要 次的运算,在点时,运算量仅有次,是先前的 直接算法的,点数越多,运算量的节约就越大,这就是的优越性 山国武技记文在 电力系统谐波的处理 为了对电丿系统中的谐波进行准确的分析,所以在上述谐波信号分析的基础上,使谐波 信号的频率为,并且使基波分量的幅度为,二次谐波的幅度为,作出其在时域下 的波形图。 电力系统谐波模拟信号 图电力系统谐波模拟信号图 电系统谐波模拟信号三维图形 谐波叠加信号 时间 图电力系统谐波模拟信号三维图像 从图中可以看出,电力系统中的谐波信号在时域下的图像是含有许多尖峰脉冲的无规 则的图形,为了能够使谐波信号的规律更加的易于观察,所以需要对谐波信号进行快速傅里 叶变换,研究其在频域下的图像。 下面是其经过傅里叶变化后在频域下的图像显示: 山国武技记文在 变换前信号 变换后的信号颇谱图 频率 图经过FFT变换后的谐波信号频谱图 从图中可以看岀,经过傅里叶变换后谐波信号明显具有了一定的可读性。在图7中,基 波分量的幅值最高,其他各个高次谐波的都发生了不太明显,这与电力系统中的所含有的稀 薄信号的情况相符合,但是,为了岀去这些高次谐波信号,还需要对这些信号进行滤波处理。 电力系统谐波的低通滤波处理 将电力系统信号中的高次谐波的成分滤去,需要设计一个低通滤波器。低通滤波器是允 许低于截止频率的信号通过,高于截止频率的信号不能通过的一和滤波器。低通滤波器概念 有许多不同的形式,其中包括电子线路(如音频设备中使用的滤波器)、平滑数据的 数字算法、音璋( )、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除短期波动、 侏留长期发展趋势提供∫信号的平滑形式。低通滤波尜在信号处理中的作用笭冋于其它领域 如金融领域中移动平均数所起的作用。其中最常用的低通滤波器有巴特沃斯滤波器和切比 雪夫滤波器。 在利用频夲变换设计模拟滤波器时,需要先给定模拟滤波器的性能指标,如截止频率 或上、下边界频率等。再确定滤波器阶数,最后按照频率变换设计模拟滤波器。 模拟低通滤波器的改计指标有,g2和g,其中和Ω2分别称为通带截止频率和 阻带截止频率。是通带g(9)中的最大衰减系数,是阻带9≥g2的最小衰减系 数,和一般用表示。对于单调下降的幅度特性,可表示成 如果9=0处幅度已归化为,即Ω=,9和Ω表示为 山国武技记文在 因 滤波器的技术指标给定以后,需要设计一个传输函数 希望其幅度平方函数满足 给定的指标和,一般滤波器的单位冲激响应为实数,因此 Q Q 如果能由,g,,g求出 那么就可以求出所需的,对于上 面介绍的典型滤波器,其幅度平方函数有自己的表达式,可以直接引用。这里要说明的是 必须是稳定的。因此极点必须落在平面的左半平面,相应的 的极点落在 右半平面。 下面是电力谐波绎过滤波后的频谱图像: 时间 滤波后谐波信号频谱图 频率 图绎过滤波过后的谐波频谱图像 从图中可以看出,经过滤波过后的谐波的频谱图像只剩下基波分量了,说明经过滤波 过后的电力信号中的谐波信号已经有了明显的削弱,表明抑制电力系统的谐波信号运用滤波 处理是有效的。 结论 本文给出了电力系统信号中的谐波信号在时域下运用 仿真的模拟效果,以及 在频域下对其进行傅里叶变换后的分析和处理,又运用低通滤波器,对电力系统中谐波信号 进行处理,使其更加符合人们生产和生活的需要 山国武技记文在 参考文献 陈定华电力系统中频谐波电源的仿真研究浙江:浙江大学, 朱东起,姜新建,马大锪无源和有源滤波器串联构成的并联型综合电力滤波系统清牛大学学报自 然科学版 楼顺天,李博菡基于 的系统分析与设计信号处坦两安:丙安电子科技大学出版社 吕润如电力系统高次谐波北京:中国电力出版社, 程佩青数字信号技术处理(第四版)简明版北京:清华大学出版社, 陈思巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计信阳师范学院学报自然科学版,

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