基于卷积窗和改进傅里叶变换的谐波检测算法研究

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近年来电网中非线性元件使用量激增、分布式能源大量投入使用,导致网络中谐波含量大幅提升。为精确检测谐波参数,从而改善电能质量,本文从四方面对现有加窗-插值傅里叶变换算法进行改进。在谐波信号降噪方面;本文对基于小波时频分解、经验模态分解的降噪算法进行仿真和分析后,发现此类算法在低信噪比环境中,信噪比提升幅度显著;而在高信噪比环境中降噪效果不佳。为克服这一缺陷,文本另外提出基于标准单位周期的降噪算法。该算法利用谐波“周期性”特征,通过3-sigma法则构造权重,从而对信号进行修正,使信号在有效分量不受损的情况下,信噪比显著提升。在整数次谐波检测方面;本文对基于Rife-Vincent窗的加窗-插值算法进行了仿真和分析,发现:若所选窗的旁瓣数值越低、主瓣越窄,则频谱泄漏所产生的误差越小。因此,本文采用四阶Hann自卷积窗进行检测,通过其极低的旁瓣高度抑制频谱泄漏误差。此外,由于Hann窗的频谱表达式非常简明,插值公式仅需两支谱线即可构造,且该公式存在解析解。因此该算法能够有效抑制栅栏效应产生的误差。在间谐波检测方面;分析主瓣干扰产生机理后,本文将间谐波划分为三类。针对存在主瓣干扰的两类,本文通过“二阶Hann-六阶矩形混合卷积窗”(H2R6窗)划分出低干扰区域,从而求解谐波参数。考虑到该方法存在一定局限,本文补充一种基于“五阶三角-十一阶矩形混合卷积窗”(T5R11窗)和加速PSO优化的间谐波检测算法。该算法通过比较重构谱线与实际谱线的差异,对预计算结果进行优化。考虑到PSO类算法耗时量大,本文分别从“锁定频率”、“采用变权重”以及“利用T5R11窗的结构”三方面对PSO算法进行加速,使算法兼具高检测精度及较好的算法实时性。最后,本文建立了含分布式能源的十四节点网络,用以验证前文所述算法能否应用于实际。该网络依靠光伏电站和风机组提供电能,并接入电弧炉作为非线性负荷,产生大量整数次谐波和间谐波。结果表明,该网络能够较好复现各种谐波信号,且所述算法的检测精度与算法实时性符合国家与国际标准。
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