基于VSS窗的改进相位差电力谐波分析方法.pdf
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1、第 5 l卷第 2 2期 2 0 1 4年l 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n V0l _ 5 1 No 2 2 No v 2 5, 2 01 4 基 于 V S S窗的改进相位差 电力谐 波分析方法 黄威威 , 蔡念 , 王晗 , 叶倩 , 凌永权 ( 1 广 东工业大学信息工程学院, 广州 5 1 0 0 0 6 ; 2 广东工业大学机电工程 学院, 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要 : 利用快速傅里叶变换( F F T ) 进行谐波分析时, 在非同步
2、采样 和非整数周期截断条件下存在频谱泄露和栅 栏效应 , 影响谐波的分析精度。采用传统的窗函数对信号进行加权 , 虽然可以减小频谱泄露和栅栏效应的影 响, 但其效果受到窗函数旁瓣特性的制约。提出一种基于衍生半正弦窗的改进相位差电力谐波分析方法。该 方法引入一种新的窗衍生半正弦窗, 对信号进行加权, 然后采用改进相位差算法分析谐波参数幅值、 频率、 相位。衍生半正弦窗可以通过调整指数获得满足要求的旁瓣特性, 能较好的抑制频谱泄露, 在工程应用 中具有很大的灵活性。推导了信号基波及各次谐波频率 、 幅度 、 初相位 的求解公式。仿真实验结果表明 , 提出 的基于衍生半正弦窗的改进相位差算法具有较高
3、的计算精度。 关键词: 相位差; 衍生半正弦窗; 谐波分析; 频谱泄露; 栅栏效应 中图分类号 : T M 9 3 5 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 2 2 0 0 7 60 6 I m p r o v e d Ph a s e Di f f e r e nc e M e t ho d Ba s e d o n Va r i a t i o n Se mi Si nu s o i da l W i nd o w f o r Po we r H a r m o n i c Ana l y s i s HU A N G We i w e l
4、 。 , C A I N i a n , WA N G H a n ,Y E Q i a n , L I N G Y o n g q u a n ( 1 S c h o o l o f I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ,Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6,C h i n a 2 S c h o o l o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n
5、e e r i n g , G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u 1 0 0 0 6 5 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : Wh e n F a s t F o u r i e r T r a n s f o r m( F F T )i s a d o p t e d t o r e a l i z e h a r m o n i c a n a l y s i s , t h e r e i s a s p e c t r u m l e a
6、 k a g e p r o b l e m a n d t he o c c u r r e n c e o f t h e pi c k e t f e nc e e f f e c t i n t h e h a r mo n i c a n a l y s i s o f p o we r s y s t e m u nd e r a s y n c h r o n o u s s a mp hn g a n d n o ni n t e g r a l p e r i o d t r u n c a t i o n c o nd i t i o n s,wh i c h wi l l
7、 a f f e c t t he a n a l y t i c a l p r e c i s i o n o f t h e h a r mo n i c Al t h o u g h t he s i g n a l we i g h t e d b y t r a d i t i o n a l wi n d o ws c a n s u p p r e s s t he s p e c t ru m l e a k a g e s,t h e a n a l y s i s r e s u l t i s r e s t r i c t - e d b v t h e s i d
8、e l o b e c h a r a c t e r i s t i c s o f t he s e wi nd o ws An i mpr o v e d p h a s e d i f f e r e n c e me t h o d b a s e d o n v a r i a t i o n s e ni s i n u s o i d a l wi n d o w f o r p o w e r h a r mo n i c a n a l y s i s i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r A n e w v a r i a t
9、 i o n s e mi s i n u s o i d a l w i n d o w i s a p p l i e d t o we i g h t t h e s i g n a l b y t hi s me t h o d Th e n,t he i mp r o v e d p h a s e d i f f e r e n c e me t ho d i s e mp l o y e d t o c a l c ul a t e t h e p a r a me t e r s o f t h e s i g n a l ,s u c h a s f r e q u e n
10、c y ,a mp l i t u d e a n d p h a s e T h e s a t i s f y i n g p e r f o r ma n c e o f t h e s i d e l o b e o f v a r i a t i o n s e mi s i n u s o i d a l w i n d o w c a n b e o b t a i n e d b y a d j u s t i n g t h e i n d e x v a l u e , w h i c h w i l l s u p p r e s s s p e c t r u m l
11、e a k a g e a n d p o s s e s s fle x i b l i l i t y i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n gMo r e o v e r ,t he c a l c u l a t i o n f o r mu l a e o f t h e f r e q u e n c i e s ,a mp l i t ud e s a n d i n i t i a l ph a s e s o f f u nd a me n t a l a n d ha r mo ni c s a r e d e d u c e d
12、 Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t ha t t h e p r o p o s e d me t ho d c a n e s t i ma t e h a rm o n i c pa r a me t e r s wi t h h i g h a c c ur a c y Ke y wo r ds: p h a s e d i f f e r e nc e,v a r i a t i o n s e mis i nu s o i d a l wi n d o w,h a r mo n i c a n a l y
13、s i s ,s p e c t r um l e a ka g e,p i c k e t f e n c e f c t 基金项 目: 国家 9 7 3计划项 目( 2 0 1 1 C B O I 3 1 0 0 ) ; 广东省 自然科学基金( $ 2 0 1 1 0 4 0 0 0 4 0 7 9 ) ; 广东省教育部产学研结合项 目( 2 0 1 2 B 0 9 1 1 0 0 4 2 4 ) 一 7 6 0 引 言 现代电力系统中随着电力 电子装置等非线性 负 荷 的广泛应用 , 电网中谐波 的污染越来越严重 , 准确的检测谐波参数, 对治理谐波污染非常重要。 离散傅里叶变换 由于算
14、法简单 , 易于实现 , 在工程上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 2 2期 2 0 1 4年1 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e nt a t i o n VO 1 51 No 2 2 No v 2 5, 20 1 4 被广泛应用 , 但用离散傅里 叶变换进行 谐波分析时 , 由于被测信号频率的波动很难实现同步采样或整数 周期截断 , 存在频谱泄露和栅栏效应 , 从 而影 响谐波 的分析精度 。 为了减小此类误差 , 国内外 学者进行 了深
15、入 的 研究, 提出了基于窗函数的插值 F F T算法 和相 位差法 J 。这些算法在一定程度上提高 了谐波的 分析精度 , 减小 了频谱泄露和栅栏效应引起的误差 。 然而用基于窗函数的双谱线 或者多谱线 插值算 法进行谐 波分 析时需要求解高次 方程 , 并且每个 窗 函数 曲线拟合后的修正公式均不相 同, 计算复杂 ; 采 用相位差进行谐波分析时 , 虽然无需求解 高次方程 , 但其分 析效果 受窗 函数旁 瓣特性 的影 响 J 。文献 5 提出了基于卷积窗函数 的相位差算法 , 取得 了良 好 的效果 , 但是卷积窗函数 的时域表达式复杂 J , 对 信号加权时应用并不方便。 文 中结
16、合一 种新 的窗 函数衍 生 半 正 弦窗 ( V a r i a t i o n S e m i s i n u s o i d a l Wi n d o w, V S S窗 ) , 提 出 一 种基于衍生半正 弦窗的改进 相位差算法 , 并 应用 于谐波分析 。衍生半正 弦窗可以通过调整指数获得 满足工程要求 的旁瓣特性 , 使用非 常灵活。改 进相 位差在求解信 号频率 、 幅度 和相位时无需求解 窗函 数的频域表达式 , 进一步化简了计算过程 , 给窗函 数的应用带来 方便。仿真实 验表明 , 该 方法能够有 效的抑制各次谐 波间的频谱干扰 , 减小 因非 同步采 样 和非整数周期截
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