專利名稱：一種基于fft法的電力諧波分析儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于FFT法的電力諧波分析儀，其可進行電力系統(tǒng)的三相電壓及三相電流的2 63次諧波分析，具有簡單、精確及使用方便的優(yōu)點。
背景技術：
諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。隨著近年來非線性設備的大量采用，其帶來的諧波問題也日趨嚴重，再加上廣泛采用的傳統(tǒng)變壓器和鐵心電抗器也會產(chǎn)生諧波，諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行， 給周圍的電氣環(huán)境帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)的三大公害。因而了解諧波產(chǎn)生的機理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行有著非常積極的意義。諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注人到電網(wǎng)中，這些設備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。例如電力電子裝置，電弧爐，家用電器以及變壓器和鐵心電抗器等。在電力電子裝置大量應用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發(fā)電機，而在電力電子設備大量應用之后，后者成為最主要的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流設備所占的比重最大，目前常用的整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，比如直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸人電流的基波分量的相位與電源電壓相位大體相同，因此基波功率因數(shù)接近于1，但其輸人電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。除此之外，逆變器、直流斬波器的應用也較多，這些裝置所需的直流電源主要來自整流電路，因而諧波問題也很嚴重。此外，還有許多諧波源，比如電視機、熒光燈、個人計算機等，它們雖然單臺功率很小，但其龐大的數(shù)量所帶來的諧波污染也是十分嚴重的。諧波的存在對電網(wǎng)是一種污染，它使電力設備所處環(huán)境變化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設備帶來損害，其危害主要有以下幾個方面(1)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。(2)諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。(3)引起電網(wǎng)諧振。這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。(4)導致繼電保護和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。(5)諧波會使電氣測量儀表計量不準確，產(chǎn)生計量誤差，給供電部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。(6)諧波會對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重則導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
3[0011]由于諧波的存在會對電網(wǎng)造成危害，因此把諧波分量降低到容許的范圍內(nèi)是保證電能質(zhì)量的一項重要任務?，F(xiàn)諧波檢測的主要技術方法有帶阻濾波法、帶通選頻法、瞬時功率矢量法及自適應檢測法。其中，帶阻濾波法是一種最為簡單的諧波電流檢測方法，其基本原理是設計一個低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。帶通選頻法采用多個窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，這種方法可以檢測到各次諧波的含量，但以模擬濾波器為基礎的帶通選頻法裝置，結構復雜，元件多，測量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應能力。瞬時功率矢量法能準確地測量對稱的三相三線制電路的諧波值。而測量電網(wǎng)電壓畸變時的諧波會存在較大誤差。這方法的優(yōu)點是當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，各電流分量(基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量)的測量電路比較簡單，并且延時小，具有很好的實時性，缺點是硬件多，花費大。自適應檢測法基于自適應干擾抵消原理，將電壓作為參考輸人，負載電流作為原始輸人，從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補償?shù)闹C波與無功分量。該自適應檢測系統(tǒng)的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應能力，缺點是動態(tài)響應速度較慢。
實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的諧波測量使用以上技術的不足，本實用新型對上述現(xiàn)有諧波分析的方法進行改進，提供一種基于FFT法的電力諧波分析儀。為實現(xiàn)上述目的，所述基于FFT法的電力諧波分析儀，包括主控單元，以及與主控單元通訊連接的FFT處理單元，其特點是，所述FFT處理單元包括，基波參數(shù)計算單元，所述基波參數(shù)計算單元包括電壓幅值計算模塊和電流幅值計算模塊；諧波參數(shù)計算單元，所述諧波參數(shù)計算單元包括分別與電壓幅值計算模塊通訊連接的第h次諧波電壓含有率計算模塊和電壓諧波含量計算模塊，以及分別與電流幅值計算模塊通訊連接的第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊；以及，F(xiàn)FT運算單元，所述FFT運算單元包括分別與第h次諧波電壓含有率計算模塊、電壓諧波含量計算模塊、第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊一一對應通訊連接的電壓波峰系數(shù)計算模塊、電壓總諧波畸變率計算模塊、電流波峰系數(shù)計算模塊和電流總諧波畸變率計算模塊。本實用新型的有益效果在于，所述基于FFT法的電力諧波分析儀，對三相電壓電流六通道的信號用近似同步技術進行采樣，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換等，再進行傅里葉變換，得到各通道的各次諧波的幅值和相位系數(shù)，其可同時測量多個回路，能自動測量，使用簡單、精確、方便。
圖1示出了本實用新型所述的基于FFT法的電力諧波分析儀的主要功能框圖。圖2示出了圖1中采樣處理單元的原理方框圖。圖3示出了圖1中FFT處理單元的原理方框圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。圖1示出了本實用新型所述的基于FFT法的電力諧波分析儀的主要功能框圖，如圖1所示，所述基于FFT法的電力諧波分析儀包括主控單元1，以及分別與主控單元1通訊連接的FFT處理單元2、采樣處理單元3、數(shù)據(jù)存儲單元4和參數(shù)輸出單元5。具體地，圖2示出了圖1中采樣處理單元3的原理方框圖，如圖2所示，所述采樣處理單元3包括三相電壓采樣單元31、三相電流采樣單元32、電流電壓采樣同步處理單元 33以及電流電壓采樣濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理單元34。三相電壓、三相電流共六條輸入通道， 每通道每周期采樣1 點，經(jīng)過同步信號處理，并濾波整形，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳給主控單元 1，以進行數(shù)據(jù)存儲和分發(fā)。圖3示出了圖1中FFT處理單元2的原理方框圖，如圖3所示，所述FFT處理單元 2包括基波參數(shù)計算單元6、諧波參數(shù)計算單元7和FFT運算單元8。其中，所述基波參數(shù)計算單元6包括電壓幅值計算模塊61和電流幅值計算模塊62。所述諧波參數(shù)計算單元7包括分別與電壓幅值計算模塊61通訊連接的第h次諧波電壓含有率計算模塊71和電壓諧波含量計算模塊72，以及分別與電流幅值計算模塊62通訊連接的第h次諧波電流含有率計算模塊73和電流諧波含量計算模塊74。所述FFT運算單元8包括分別與第h次諧波電壓含有率計算模塊71、電壓諧波含量計算模塊72、第h次諧波電流含有率計算模塊73和電流諧波含量計算模塊74 一一對應通訊連接的電壓波峰系數(shù)計算模塊81、電壓總諧波畸變率計算模塊82、電流波峰系數(shù)計算模塊83和電流總諧波畸變率計算模塊84。所述FFT處理單元2獲得六個通道的同步采樣數(shù)字信號，同步采樣數(shù)字信號經(jīng)FFT 變換后獲得電壓的實部uKeal_h、電壓的虛部Ulm g_h、電流的實部IKeal_h、電流的虛部Ilm g_h等基本量，所述基波參數(shù)計算單元6、諧波參數(shù)計算單元7和FFT運算單元8根據(jù)上述基本量進行進一步數(shù)據(jù)處理。具體地，基波參數(shù)計算單元6中，電壓幅值計算模塊61根據(jù) Uh =柳Re al_h y + (Ulmg_hy得到電壓幅值Uh ；電流幅值計算模塊62根據(jù)
h = V(7Re al-hf + (Ilmg-H 得到電流幅值‘諧波參數(shù)計算單元？中，第h次
諧波電壓含有率計算模塊71根據(jù)—^^ =》xl00%得到第h次諧波電壓含有率HRUh ；電
壓諧波含量計算模塊72根據(jù)=玄(f/J2和f/一 =玄(f/J2得到電壓諧波含量 和
V h-2V h=\
Ulotal ；第h次諧波電流含有率計算模塊73根據(jù)—a得到第h次諧波電流含有率
HRIh ；電流諧波含量計算模塊74根據(jù)= Σσ )2和^^ = , Σ(/J'得到電流諧波含量Ih
V h-2V h=\
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^hXhXHRUhXHRUh
和IT。tal。FFT運算單元8中，電壓波峰系數(shù)計算模塊81根據(jù)^； =jel^-
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h=l得到電壓波峰系數(shù)Ku;電壓總諧波畸變率計算模塊82根據(jù)和
權利要求1. 一種基于FFT法的電力諧波分析儀，包括主控單元，以及與主控單元通訊連接的FFT 處理單元，其特征在于所述FFT處理單元包括，基波參數(shù)計算單元，所述基波參數(shù)計算單元包括電壓幅值計算模塊和電流幅值計算模塊；諧波參數(shù)計算單元，所述諧波參數(shù)計算單元包括分別與電壓幅值計算模塊通訊連接的第h次諧波電壓含有率計算模塊和電壓諧波含量計算模塊，以及分別與電流幅值計算模塊通訊連接的第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊；以及，F(xiàn)FT運算單元，所述FFT運算單元包括分別與第h次諧波電壓含有率計算模塊、電壓諧波含量計算模塊、第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊一一對應通訊連接的電壓波峰系數(shù)計算模塊、電壓總諧波畸變率計算模塊、電流波峰系數(shù)計算模塊和電流總諧波畸變率計算模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種基于FFT法的電力諧波分析儀，其包括的FFT處理單元包括具有電壓幅值計算模塊和電流幅值計算模塊的基波參數(shù)計算單元，具有分別與電壓幅值計算模塊連接的第h次諧波電壓含有率計算模塊和電壓諧波含量計算模塊，以及分別與電流幅值計算模塊連接的第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊的諧波參數(shù)計算單元，和具有分別與第h次諧波電壓含有率計算模塊、電壓諧波含量計算模塊、第h次諧波電流含有率計算模塊和電流諧波含量計算模塊對應連接的電壓波峰系數(shù)計算模塊、電壓總諧波畸變率計算模塊、電流波峰系數(shù)計算模塊和電流總諧波畸變率計算模塊的FFT運算單元。所述電力諧波分析儀可同時自動精確測量多個回路，使用簡便。
文檔編號G01R23/16GK202256496SQ20112038435
公開日2012年5月30日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權日2011年10月11日
發(fā)明者任家愛, 熊皓, 莫景賢 申請人:深圳市亞特爾科技有限公司