專利名稱：基于三次樣條插值波形重構(gòu)的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法
基于三次樣條插值波形重構(gòu)的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微網(wǎng)的信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法。
技術(shù)背景
在眾多的諧波分析方法之中，快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)算法應(yīng)用最為廣泛。FFT算法只能分解出整數(shù)次的諧波，由于微網(wǎng)中間諧波的存在及基波頻率變動，使得傳統(tǒng)的FFT算法很難實(shí)現(xiàn)同步采樣，將導(dǎo)致頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，從而影響分析精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種可以有效減小諧波和間諧波分析時(shí)產(chǎn)生的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，提高微網(wǎng)諧波及間諧波分析精度的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法。下面是本發(fā)明的具體步驟
一種基于三次樣條插值波形重構(gòu)的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法，包括下列步驟
(1)以給定的采樣頻率fs對原始測量信號進(jìn)行采樣，得到原始采樣信號；
(2)運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來分析原始采樣信號，確定系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率；
(3)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率，得到修正后的采樣頻率；
(4)采用三次樣條插值算法來重構(gòu)采樣波形；
(5)根據(jù)實(shí)際基波頻率和修正后的采樣頻率，對重構(gòu)信號序列運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來確定基波和所有的諧波成份；
(6)從原始采樣信號中減去求得的基波和各次諧波成份；
(7)針對剩下的波形信號，再次運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來確定各次間諧波成份。
在原始測量信號中基波成份的幅值通常是所有頻率成份最大的并且計(jì)算誤差相對較小，所以本發(fā)明先用加窗雙插值FFT算法來確定變動的基波頻率，之后又引入三次樣條插值來重構(gòu)采樣波形，通過三次樣條插值很好的再現(xiàn)了時(shí)域波形，為后面的諧波及間諧波分析提供條件。本發(fā)明較加Harming窗雙譜線插值算法，各次諧波成份的頻率和相位分析精度要高，間諧波成份精度有較大提高；較Newton插值重構(gòu)算法精度更高，重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)更為簡便。


圖1 20kV Benchmark中壓配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2 0. 4kV Benchmark低壓微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
圖3運(yùn)用插值算法進(jìn)行波形重構(gòu)的說明。
圖4三次樣條插值算法對微網(wǎng)諧波及間諧波分析過程框圖。
具體實(shí)施方式
微網(wǎng)內(nèi)存在許多電力電子設(shè)備和非線性負(fù)荷，從而產(chǎn)生大量的諧波及間諧波，而且其基波頻率變動，采用FFT算法分析存在困難。本發(fā)明適合應(yīng)用與含有大量電力電子設(shè)備的微網(wǎng)的諧波及間諧波分析。
當(dāng)微網(wǎng)基波頻率發(fā)生變動時(shí)，基波頻率會偏移50Hz，采用固定的采樣頻率和有限的分析窗寬度進(jìn)行諧波和間諧波分析，不可避免的要產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。設(shè)固定的采樣頻率為
fs = NXf0(1)
式中N為一個(gè)基波周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，f0為基波頻率。
由于基波頻率的變動，一般很難確定采樣頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同步采樣。如果確定了實(shí)際的基波頻率fc/，便可以得到修正后的采樣頻率fs'，
f' s = NXf' ο(2)
在進(jìn)行采樣波形重構(gòu)時(shí)，根據(jù)在離散點(diǎn)處給定的值，采用插值算法來確定指定點(diǎn)處的信號值。如圖3所示，考慮在連續(xù)的離散時(shí)間點(diǎn)Xtl，Xl，x2，Axn，等間隔的信號f(t)，采樣頻率fs由公式(1)確定，每個(gè)采樣值由虛線標(biāo)記。實(shí)線標(biāo)記的采樣點(diǎn)是以公式(2)確定的實(shí)際采樣頻率fs'進(jìn)行重構(gòu)獲得的。
如圖4所示，直接FFT變換進(jìn)行諧波及間諧波分析產(chǎn)生的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)會導(dǎo)致計(jì)算誤差，而信號中基波成份的幅值通常是所有頻率成份最大的并且計(jì)算誤差相對較小，所以考慮先用加Harming窗雙插值FFT算法來確定變動的基波頻率。一旦系統(tǒng)的基波頻率fV被確定，即可得到實(shí)際采樣頻率f' s，如公式(2)所示。用修正后的實(shí)際采樣頻率 f ‘ s，對經(jīng)三次樣條插值重構(gòu)之后的波形直接采用加Harming窗雙插值算法可以精確確定基波和各次諧波。然后將獲得的基波和各次諧波成份從原信號中減去，再次運(yùn)用加Harming 窗雙插值FFT算法來確定各次間諧波，能夠有效減小諧波成份對間諧波的影響。
為驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，與傳統(tǒng)的加Harming窗雙譜線插值算法和Newton插值重構(gòu)算法進(jìn)行比較。
建立仿真模型，已得到微網(wǎng)仿真電流信號。采用的中壓配電網(wǎng)模型為西門子 Benchmark 20kV電網(wǎng)模型，如圖1所示。圖2為一典型的微網(wǎng)模型——西門子Benchmark 0. 4kV電網(wǎng)模型，WT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)。電網(wǎng)系統(tǒng)基波頻率為50Hz，在正負(fù)0. 2Hz允許范圍之內(nèi)變動，微網(wǎng)中負(fù)荷采用恒功率模型。微網(wǎng)通過一個(gè)20kV/0.4kV變壓器連接在中壓主電網(wǎng)， 接入點(diǎn)安裝有斷路器。為簡化計(jì)算，本發(fā)明只考慮在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，只加入WT后公共連接點(diǎn)(PCC)的諧波狀況。風(fēng)機(jī)模型采用基于雙PWM背靠背變流器的永磁直驅(qū)式風(fēng)機(jī)模型。 參考某一型號永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的諧波電流參數(shù)，設(shè)定一組諧波及間諧波信號，作為諧波源注入風(fēng)機(jī)網(wǎng)端變流器?；贒IgSILENT/Power Factory仿真平臺，搭建微網(wǎng)仿真模型，在微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算，可以仿真得到PCC點(diǎn)的各次諧波、間諧波及基波的諧波電流信號。
運(yùn)用本發(fā)明對仿真得到的PCC點(diǎn)的諧波及間諧波電流信號進(jìn)行分析?？紤]基波頻率變動，該電流信號為
權(quán)利要求
1. 一種基于三次樣條插值波形重構(gòu)的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法，包括下列步驟(1)以給定的采樣頻率fs對原始測量信號進(jìn)行采樣，得到原始采樣信號；(2)運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來分析原始采樣信號，確定系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率；(3)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率，得到修正后的采樣頻率；(4)采用三次樣條插值算法來重構(gòu)采樣波形；(5)根據(jù)實(shí)際基波頻率和修正后的采樣頻率，對重構(gòu)信號序列運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來確定基波和所有的諧波成份；(6)從原始采樣信號中減去求得的基波和各次諧波成份；(7)針對剩下的波形信號，再次運(yùn)用加Harming窗雙插值FFT算法來確定各次間諧波成
全文摘要
本發(fā)明屬于微網(wǎng)的信號處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于三次樣條插值波形重構(gòu)的微網(wǎng)諧波及間諧波分析方法，包括以給定的采樣頻率對原始測量信號進(jìn)行采樣，得到原始采樣信號；運(yùn)用加Hanning窗雙插值FFT算法來分析原始采樣信號，確定系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率；根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際基波頻率，得到修正后的采樣頻率；采用三次樣條插值算法來重構(gòu)采樣波形；對重構(gòu)信號序列運(yùn)用加Hanning窗雙插值FFT算法來確定基波和所有的諧波成份；從原始采樣信號中減去求得的基波和各次諧波成份；再次運(yùn)用加Hanning窗雙插值FFT算法來確定各次間諧波成份。本發(fā)明能夠有效減小諧波分析時(shí)產(chǎn)生的頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，提高微網(wǎng)諧波及間諧波分析精度。
文檔編號G01R23/16GK102520245SQ20111044594
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者杜旭浩, 王繼東 申請人:天津大學(xué)