电力系统谐波分析仪算法研究与实现

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随着电力电子器件在电力系统中投入使用,电网中产生了大量的谐波,严重影响着电力系统的安全运行。所以要最大限度地对谐波进行抑制与消除,解决此问题的关键在于能准确的检测出各次谐波含量,理论研究与实践证明,谐波检测的精度与检测算法是密切相关的。因此对谐波检测算法的研究具有重要的理论和现实意义。   本文一方面对各种谐波检测算法进行理论仿真,以分析其性能。主要讨论的谐波检测算法有四种:快速傅里叶变换算法、短时傅里叶变换算法、小波变换算法、快速傅里叶变换和小波变换相结合的算法。首先根据谐波的特点建立了具有代表性的四种谐波模型,然后在Matlab中使用四种算法对不同的模型进行了仿真。仿真结果表明快速傅里叶变换算法对稳态谐波的检测非常适用,精度较高,而对非平稳谐波就不适用了。短时傅里叶变换算法能够检测出各次谐波,并能检测出间断点发生的时间范围,存在的缺点是其时域分辨率和频域分辨率不能兼顾。小波变换算法中多分辨率分析算法能够检测出间断点发生的时刻,但它在高频部分频域分辨率较差;小波包算法可以解决这一问题,但会发生频带交错现象。快速傅里叶变换和小波变换相结合的检测算法不但可以精确的检测出稳态分量中的各次谐波,还可以得到暂态分量。   另一方面对谐波检测算法进行实现,主要研究的是谐波分析仪中常用的快速傅里叶变换算法的实现,也就是设计一个FFT处理器。通过对几种方案进行讨论,最终采用的是按时间抽选的浮点型基-2 FFT算法,包括数据存储器、改进的蝶形单元、旋转因子存储器、选择器、变址运算器及FFT运算控制器6个模块。在数据存储器中为了节省存储空间,采用的是双端口RAM的形式,用它存储输入数据、中间结果和最终结果;为缩短延时时间,对蝶形单元的结构进行了改进,采用了3输入的加法器。根据频率分辨率的要求,选取的采样点数为256点。最后在FPGA EP2C35F672C6芯片上进行了实现,处理256点浮点型序列所需的时间大约是54μs,占用的逻辑资源数为3909,占总逻辑资源数的12%。仿真结果表明了FFT处理器的正确性和可行性。
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