CN104833853B - 一种频率自适应的滑窗dft谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，首先采集电网电压信号，再利用数字锁相环技术同步电网电压相位及频率；接着采样负载电流信号并通过频率自适应的滑窗迭代方法对采集的负载电流信号x(t)进行DFT正变换，分别得到各次谐波的x轴和y轴分量，进而计算出第h次谐波的指令信号，最后累加各次谐波指令得到总谐波指令。本发明解决了电网电压频率波动时，有源电力滤波器实时谐波指令提取的难题，同时还能能准确、快速的进行单次谐波指令提取，以保证有源电力滤波器的实时补偿效果。

Description

一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法

技术领域

本发明属于数字信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的大功率开关器件应用到电力电子设备中，以及非线性负载在电网上的广泛应用，其产生的大量无功电流和谐波电流对电网造成了严重污染。为了保证电网的安全可靠运行，保证较高的电能质量，对电网进行高效的谐波抑制显得尤为重要。

目前，关于电力系统中谐波检测方法大体可分为基于频域的检测方法和基于时域的检测方法两大类。基于频域的检测方法以傅里叶变换为基础，包括快速傅里叶变换法(FFT)、离散傅里叶变换法(DFT)和迭代傅里叶变换方法(RDFT)。基于傅里叶变换的谐波检测方法可以实现谐波分次检测，使用方便，但存在一个周期的固有延时，实时性较差；迭代傅里叶变换法，动态响应速度方面则优于傅里叶变换法，但对于每次谐波分量的检测需要为其额外增加存储空间。基于时域谐波检测方法，包括基于时域瞬时无功功率理论(p-q)检测方法、基于基波同步旋转变换(d-q)检测方法、基于谐波同步旋转变换检测方法。基于时域的谐波检测方法属于实时检测方法，一般动态响应速度快，但存在分次谐波检测和计算量大的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，解决了电网频率波动时有源电力滤波器(APF)对实时谐波指令提取的难题，同时还能准确、快速的检测各次谐波分量，以保证APF的实时补偿效果。

为实现上述发明目的，本发明一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在固定采样周期T_s下，采集电网电压信号，通过数字锁相环技术，同步电网电压相位θ_k及频率f_k；

(2)、根据步骤(1)所述的电网电压频率f_k，确定第k次采样的迭代窗口的大小N_k；

其中，符号[]表示取整，f₀为电网电压理论频率50Hz，N₀为工频时迭代窗口大小；

(3)、采集负载电流信号x(t)，再通过频率自适应的滑窗迭代方法对负载电流信号x(t)进行DFT正变换，分别得到负载电流的第h次谐波的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)；

A_hx(k)＝A_hx(k-1)+A_hxin-A_hxout (2)

A_hy(k)＝A_hy(k-1)+A_hyin-A_hyout (3)

其中，A_hxin、A_hxout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的x轴分量，A_hyin、A_hyout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的y轴分量；

(4)、根据步骤(1)所述的电网电压相位θ_k与步骤(3)所述的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)，计算第k拍时的第h次谐波指令x_h(k)；

x_h(k)＝A_hx(k)·cos(h·θ_k)+A_hy(k)·sin(h·θ_k) (4)

(5)、将步骤(4)中得到的h次谐波指令信号x_h(k)进行累加得到第k拍的总谐波指令x'(k)；

其中，所述的步骤(3)中，进窗量和出窗量的周期平均值的计算方法为：

(3.1)、根据最小电网电压频率f_min确定迭代窗口大小N_max；

f_min＝min{f_k} (7)

其中，min{}表示取最小运算；

(3.2)、在负载电流的每相电流中设置三个大小为N_max的数组，即x[N_max]、Table[N_max]、table[N_max]，分别储存迭代窗口内负载电流信号采样值的幅值x(k)、幅值相对应的相位θ_k、及对应迭代窗口大小N_k；

(3.3)、设置迭代计数变量n，其初始值为0，当其累加到(N_max-1)后置0；设置变量p，变量p表示迭代窗口内末尾数据在数组x[N_max]、Table[N_max]、table[N_max]中的位置；

(3.4)、根据步骤(3.3)所述的迭代计数变量n，以及第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，计算出第k-1拍的变量p的值；

(3.5)、根据第k拍的迭代窗口大小N_k和第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，分别计算出第k拍滑入迭代窗口的数据个数n_i以及滑出迭代窗口的数据个数n_o；

(3.6)、根据步骤(3.5)计算的第k拍滑入和滑出迭代窗口的数据个数n_i和n_o，以及步骤(3.4)中的不同大小的变量p，按照以下公式，分别计算出A_hxin、A_hxout、A_hyin、A_hyout；

其中，p1为滑入窗口的数据在迭代数组中的位置；

其中，p2为滑出窗口的数据在迭代数组中的位置。

本发明的发明目的是这样实现的：

一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，首先采集电网电压信号，再利用数字锁相环技术同步电网电压相位及频率；接着采样负载电流信号并通过频率自适应的滑窗迭代方法对采集的负载电流信号x(t)进行DFT正变换，分别得到各次谐波的x轴和y轴分量，进而计算出第h次谐波的指令信号，最后累加各次谐波指令得到总谐波指令。本发明解决了电网电压频率波动时，有源电力滤波器实时谐波指令提取的难题，同时还能准确、快速的进行单次谐波指令提取，以保证有源电力滤波器的实时补偿效果。

附图说明

图1是本发明一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法的框图

图2是电压频率波动时采用非频率自适应谐波检测方法提取的7次谐波的时域仿真波形图及其频谱图；

图3是电压频率波动时采用本算法提取的7次谐波的时域仿真图及其频谱图；

图4是电压频率由50Hz变化为55Hz时采用本算法与未采用本算法提取各次谐波指令的误差图。

具体实施方式

下面就具体实施方式进行详细描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为便于叙述，本实施例以提取单相负载电流的谐波检测为例，叙述当频率波动时提取单相负载电流x(t)的非3的倍数次的奇数次谐波波指令(即提取5、7、11、13、…、49次谐波指令)的具体方法：

本实施例中，假设采样频率为f_s＝10kHz，电网工频f₀＝50Hz，周期T₀＝0.02s，电网电压频率f_k波动范围为(1±0.1)f₀,即45Hz～55Hz，工频时一个迭代窗口内的大小下面进行详细说明：

图1是本发明一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法的框图。

在本实施例中，如图1所示，一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，包括以下步骤：

S1、在固定采样周期T_s下，采集电网电压信号，通过数字锁相环技术，同步电网电压相位θ_k及频率f_k；在本实施例中，固定采样周期为T_s＝0.1ms；

S2、根据步骤S1所述的电网电压频率f_k，，确定第k次采样的迭代窗口的大小N_k；

其中，符号[]表示取整，f₀为电网电压理论频率50Hz，N₀为工频时迭代窗口大小；

S3、采集负载电流信号x(t)，再通过频率自适应的滑窗迭代方法对负载电流信号x(t)进行DFT正变换，分别得到负载电流的第h次谐波的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)；

A_hx(k)＝A_hx(k-1)+A_hxin-A_hxout (2)

A_hy(k)＝A_hy(k-1)+A_hyin-A_hyout (3)

其中，A_hxin、A_hxout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的x轴分量，A_hyin、A_hyout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的y轴分量；

其中，对负载电流信号x(t)进行DFT正变换，从而得到进窗量、出窗量的周期平均值的过程的具体步骤包括：

S3.1、设电网电压波动范围确定最小电网电压频率f_min，确定迭代窗口的大小N_max；

在本实施例中，设电网电压频率f_k波动范围为(1±0.1)f₀，当电网工频f₀＝50Hz时，可取f_min＝45Hz，则可以计算出最大迭代窗口大小 N_max＝222；

S3.2、在负载电流的每相电流中设置三个大小为N_max＝222的数组，即x[222]、Table[222]、table[222]，分别储存迭代窗口内负载电流信号采样值的幅值x(k)、幅值相对应的相位θ_k、及对应迭代窗口大小N_k；

S3.3、设置迭代计数变量n，其初始值为0，当其累加到221后置0；设置变量p，变量p表示迭代窗口内末尾数据在数组x[222]、Table[222]、table[222]中的位置；

S3.4、根据步骤S3.3所述的迭代计数变量n，以及第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，计算出第k-1拍的变量p的值；

其中，N_max＝222；

S3.5、根据第k拍的迭代窗口大小N_k和第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，分别计算出第k拍滑入迭代窗口的数据个数n_i以及滑出迭代窗口的数据个数n_o；

S3.6、根据步骤S3.5计算的第k拍滑入和滑出迭代窗口的数据个数n_i和n_o，以及步骤S3.4中的不同大小的变量p，按照以下公式，分别计算出A_hxin、A_hxout、A_hyin、A_hyout；

其中，p1为滑入窗口的数据在迭代数组中的位置；

其中，p2为滑出窗口的数据在迭代数组中的位置；

在本实施例中，公式(8)～(11)中的N_max＝222；重复步骤S3.6，直到h取遍5、7、11、13、…、49；将上述得到的结果代入到公式(2)和公式(3)，可以分别得到各次谐波的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)。

S4、根据步骤S1所述的电网电压相位θ_k与步骤S3所述的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)，计算第k拍时的第h次谐波指令x_h(k)；

x_h(k)＝A_hx(k)·cos(h·θ_k)+A_hy(k)·sin(h·θ_k) (12)

重复步骤S4，直到h取遍5、7、11、13、…、49。

S5、将步骤S4中得到的h次谐波指令信号x_h(k)进行累加得到第k拍的总谐波指令x'(k)；

本发明适用于三相负载电流的谐波提取，本实施例只叙述了提取一相负载电流谐波的具体方法，对其它两相负载电流按照上述方法分别提取即可，在此不再赘述。

图2是电压频率波动时采用非频率自适应谐波检测方法提取的7次谐＝的时域仿真波形图及其频谱；

在本实施例中，如图2所示，当仿真时电网频率由50Hz增大到55Hz，采用非频率自适应的滑窗迭代算法提取负载电流的7次谐波电流的稳态时域波形扭曲，从其频谱可以看出该7次谐波电流除7次谐波外还包含大量其它次谐波，误差较大。

图3是电压频率波动时采用本算法提取的7次谐波的时域仿真图及其频谱在本实施例中，如图3所示，当仿真时电网频率由50Hz增大到55Hz，采用频率自适应的滑窗迭代算法提取负载电流的7次谐波电流的稳态时域波形非常稳定，并且从时域波形图中还可以看到其波形非常接近正弦波；从其频谱图可以看出，该7次谐波电流除7次谐波外，其它次谐波含量几乎为零，误差非常小。

图4是电压频率由50Hz变化为55Hz时采用本算法与未采用本算法提取各次谐波指令的误差图。

图中各次谐波误差如下式定义：

由图表可以看出，采用频率自适应的滑窗迭代DFT方法提取的谐波指令误差均在5.000％以下，而采用非频率自适应的滑窗迭代DFT方法提取的谐波指令误差均在在20.000％以上且接近25.000％，误差非常大。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种频率自适应的滑窗DFT谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、在固定采样周期T_s下，采集电网电压信号，通过数字锁相环技术，同步电网电压相位θ_k及频率f_k；

(2)、根据步骤(1)所述的电网电压频率f_k，确定第k次采样的迭代窗口的大小N_k；

其中，符号[]表示取整，f₀为电网电压理论频率50Hz，N₀为工频时迭代窗口大小；

(3)、采集负载电流信号x(t)，再通过频率自适应的滑窗迭代方法对负载电流信号x(t)进行DFT正变换，分别得到负载电流的第h次谐波的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)；

A_hx(k)＝A_hx(k-1)+A_hxin-A_hxout (2)

A_hy(k)＝A_hy(k-1)+A_hyin-A_hyout (3)

其中，A_hxin、A_hxout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的x轴分量，A_hyin、A_hyout分别为当前进窗量、出窗量的周期平均值的y轴分量；

(4)、根据步骤(1)所述的电网电压相位θ_k与步骤(3)所述的x轴分量A_hx(k)与y轴分量A_hy(k)，计算第k拍时的第h次谐波指令x_h(k)；

x_h(k)＝A_hx(k)·cos(h·θ_k)+A_hy(k)·sin(h·θ_k) (4)

(5)、将步骤(4)中得到的h次谐波指令信号x_h(k)进行累加得到第k拍的总谐波指令x'(k)；

其中，所述步骤(3)中，进窗量和出窗量的周期平均值的计算方法为：

(3.1)、根据最小电网电压频率f_min确定迭代窗口大小N_max；

f_min＝min{f_k} (7)

其中，min{}表示取最小运算；

(3.2)、在负载电流的每相电流中设置三个大小为N_max的数组，即x[N_max]、Table[N_max]、table[N_max]，分别储存迭代窗口内负载电流信号采样值的幅值x(k)、幅值相对应的相位θ_k、及对应迭代窗口大小N_k；

(3.3)、设置迭代计数变量n，其初始值为0，当其累加到(N_max-1)后置0；设置变量p，变量p表示迭代窗口内末尾数据在数组x[N_max]、Table[N_max]、table[N_max]中的位置；

(3.4)、根据步骤(3.3)所述的迭代计数变量n，以及第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，计算出第k-1拍的变量p的值；

(3.5)、根据第k拍的迭代窗口大小N_k和第k-1拍的迭代窗口大小N_k-1，分别计算出第k拍滑入迭代窗口的数据个数n_i以及滑出迭代窗口的数据个数n_o；

(3.6)、根据步骤(3.5)计算的第k拍滑入和滑出迭代窗口的数据个数n_i和n_o，以及步骤(3.4)中的不同大小的变量p，按照以下公式，分别计算出A_hxin、A_hxout、A_hyin、A_hyout；

其中，p1为滑入窗口的数据在迭代数组中的位置；

其中，p2为滑出窗口的数据在迭代数组中的位置。