CN202256496U - 一种基于fft法的电力谐波分析仪 - Google Patents

一种基于fft法的电力谐波分析仪 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于FFT法的电力谐波分析仪，其包括的FFT处理单元包括具有电压幅值计算模块和电流幅值计算模块的基波参数计算单元，具有分别与电压幅值计算模块连接的第h次谐波电压含有率计算模块和电压谐波含量计算模块，以及分别与电流幅值计算模块连接的第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块的谐波参数计算单元，和具有分别与第h次谐波电压含有率计算模块、电压谐波含量计算模块、第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块对应连接的电压波峰系数计算模块、电压总谐波畸变率计算模块、电流波峰系数计算模块和电流总谐波畸变率计算模块的FFT运算单元。所述电力谐波分析仪可同时自动精确测量多个回路，使用简便。

Description

一种基于FFT法的电力谐波分析仪
技术领域
本实用新型涉及一种基于FFT法的电力谐波分析仪，其可进行电力系统的三相电压及三相电流的2～63次谐波分析，具有简单、精确及使用方便的优点。
背景技术
谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。随着近年来非线性设备的大量采用，其带来的谐波问题也日趋严重，再加上广泛采用的传统变压器和铁心电抗器也会产生谐波，谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给周围的电气环境带来了极大影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。
谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注人到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。例如：电力电子装置，电弧炉，家用电器以及变压器和铁心电抗器等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机，而在电力电子设备大量应用之后，后者成为最主要的谐波源。在各种电力电子装置中，整流设备所占的比重最大，目前常用的整流电路大都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，比如直流侧采用电容滤波的二极管整流电路，这种电路输人电流的基波分量的相位与电源电压相位大体相同，因此基波功率因数接近于1，但其输人电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。除此之外，逆变器、直流斩波器的应用也较多，这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而谐波问题也很严重。此外，还有许多谐波源，比如电视机、荧光灯、个人计算机等，它们虽然单台功率很小，但其庞大的数量所带来的谐波污染也是十分严重的。
谐波的存在对电网是一种污染，它使电力设备所处环境变化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来损害，其危害主要有以下几个方面：
(1)谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。
(2)谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。
(3)引起电网谐振。这种谐振可能使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。
(4)导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。
(5)谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来经济损失。
(6)谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
由于谐波的存在会对电网造成危害，因此把谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量的一项重要任务。
现谐波检测的主要技术方法有带阻滤波法、带通选频法、瞬时功率矢量法及自适应检测法。
其中，带阻滤波法是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不用。带通选频法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量，这种方法可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响大，且没有自适应能力。瞬时功率矢量法能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值。而测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差。这方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性，缺点是硬件多，花费大。自适应检测法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输人，负载电流作为原始输人，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。
实用新型内容
为了克服现有的谐波测量使用以上技术的不足，本实用新型对上述现有谐波分析的方法进行改进，提供一种基于FFT法的电力谐波分析仪。
为实现上述目的，所述基于FFT法的电力谐波分析仪，包括主控单元，以及与主控单元通讯连接的FFT处理单元，其特点是，所述FFT处理单元包括，基波参数计算单元，所述基波参数计算单元包括电压幅值计算模块和电流幅值计算模块；谐波参数计算单元，所述谐波参数计算单元包括分别与电压幅值计算模块通讯连接的第h次谐波电压含有率计算模块和电压谐波含量计算模块，以及分别与电流幅值计算模块通讯连接的第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块；以及，FFT运算单元，所述FFT运算单元包括分别与第h次谐波电压含有率计算模块、电压谐波含量计算模块、第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块一一对应通讯连接的电压波峰系数计算模块、电压总谐波畸变率计算模块、电流波峰系数计算模块和电流总谐波畸变率计算模块。
本实用新型的有益效果在于，所述基于FFT法的电力谐波分析仪，对三相电压电流六通道的信号用近似同步技术进行采样，经模数转换等，再进行傅里叶变换，得到各通道的各次谐波的幅值和相位系数，其可同时测量多个回路，能自动测量，使用简单、精确、方便。
附图说明
图1示出了本实用新型所述的基于FFT法的电力谐波分析仪的主要功能框图。
图2示出了图1中采样处理单元的原理方框图。
图3示出了图1中FFT处理单元的原理方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明。
图1示出了本实用新型所述的基于FFT法的电力谐波分析仪的主要功能框图，如图1所示，所述基于FFT法的电力谐波分析仪包括主控单元1，以及分别与主控单元1通讯连接的FFT处理单元2、采样处理单元3、数据存储单元4和参数输出单元5。
具体地，图2示出了图1中采样处理单元3的原理方框图，如图2所示，所述采样处理单元3包括三相电压采样单元31、三相电流采样单元32、电流电压采样同步处理单元33以及电流电压采样滤波和模数转换处理单元34。三相电压、三相电流共六条输入通道，每通道每周期采样128点，经过同步信号处理，并滤波整形，经模数转换后，传给主控单元1，以进行数据存储和分发。
图3示出了图1中FFT处理单元2的原理方框图，如图3所示，所述FFT处理单元2包括基波参数计算单元6、谐波参数计算单元7和FFT运算单元8。其中，所述基波参数计算单元6包括电压幅值计算模块61和电流幅值计算模块62。所述谐波参数计算单元7包括分别与电压幅值计算模块61通讯连接的第h次谐波电压含有率计算模块71和电压谐波含量计算模块72，以及分别与电流幅值计算模块62通讯连接的第h次谐波电流含有率计算模块73和电流谐波含量计算模块74。所述FFT运算单元8包括分别与第h次谐波电压含有率计算模块71、电压谐波含量计算模块72、第h次谐波电流含有率计算模块73和电流谐波含量计算模块74一一对应通讯连接的电压波峰系数计算模块81、电压总谐波畸变率计算模块82、电流波峰系数计算模块83和电流总谐波畸变率计算模块84。
所述FFT处理单元2获得六个通道的同步采样数字信号，同步采样数字信号经FFT变换后获得电压的实部UReal-h、电压的虚部UIm g-h、电流的实部IReal-h、电流的虚部IIm g-h等基本量，所述基波参数计算单元6、谐波参数计算单元7和FFT运算单元8根据上述基本量进行进一步数据处理。
具体地，基波参数计算单元6中，电压幅值计算模块61根据
Figure BDA0000097789030000041
得到电压幅值Uh；电流幅值计算模块62根据得到电流幅值Ih。谐波参数计算单元7中，第h次谐波电压含有率计算模块71根据
Figure BDA0000097789030000052
得到第h次谐波电压含有率HRUh；电压谐波含量计算模块72根据
Figure BDA0000097789030000053
和
Figure BDA0000097789030000054
得到电压谐波含量UH和UTotal；第h次谐波电流含有率计算模块73根据得到第h次谐波电流含有率HRIh；电流谐波含量计算模块74根据
Figure BDA0000097789030000056
和
Figure BDA0000097789030000057
得到电流谐波含量IH和ITotal。FFT运算单元8中，电压波峰系数计算模块81根据
Figure BDA0000097789030000058
得到电压波峰系数KU；电压总谐波畸变率计算模块82根据和
Figure BDA00000977890300000510
得到电压总谐波畸变率THD-Fu和THD-Ru；电流波峰系数计算模块83根据
Figure BDA00000977890300000511
得到电流波峰系数KI；电流总谐波畸变率计算模块84
Figure BDA00000977890300000512
和
Figure BDA00000977890300000513
得到电流总谐波畸变率THD-Fi和THD-Ri。得到上述各参量后，所述电力谐波分析仪再通过所述参数输出单元5输出2～63次谐波分析结果。
综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技术范畴。

Claims (1)

1.一种基于FFT法的电力谐波分析仪，包括主控单元，以及与主控单元通讯连接的FFT处理单元，其特征在于：所述FFT处理单元包括，
基波参数计算单元，所述基波参数计算单元包括电压幅值计算模块和电流幅值计算模块；
谐波参数计算单元，所述谐波参数计算单元包括分别与电压幅值计算模块通讯连接的第h次谐波电压含有率计算模块和电压谐波含量计算模块，以及分别与电流幅值计算模块通讯连接的第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块；以及，
FFT运算单元，所述FFT运算单元包括分别与第h次谐波电压含有率计算模块、电压谐波含量计算模块、第h次谐波电流含有率计算模块和电流谐波含量计算模块一一对应通讯连接的电压波峰系数计算模块、电压总谐波畸变率计算模块、电流波峰系数计算模块和电流总谐波畸变率计算模块。
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