基于一阶自卷积窗的分频段电力谐波检测FFT算法研究

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随着混合多端高压直流输电系统的发展、各种新能源(如风能、太阳能)并入电网,导致电力系统的谐波特性发生了深远的变化,谐波带宽大幅拓宽以及噪声干扰加剧,传统的电力谐波检测算法已经不再全面适用,这给电力谐波检测研究提出了新的挑战。谐波参数估计是谐波得到有效治理的前提,因此,研究新的适用于电力电子化电力系统的谐波检测算法具有十分重要的意义和价值。对此,本文综合考虑当前电力系统的谐波特性,对基于FFT的谐波检测方法的缺陷以及现有改进措施的优缺点进行研究,最终对FFT算法进行改进以满足电力电子化电力谐波检测要求。本文的主要内容如下:(1)通过研究FFT存在的缺陷对谐波参数估计的影响,包括频率混叠、频谱泄露和栅栏效应;其次研究针对FFT缺陷的解决手段的利与弊,主要包括数据窗函数的频谱特性和频谱校正措施,以及从数学角度分析了全相位数据预处理算法对FFT谐波参数估计性能的影响;(2)对Kaiser窗函数进行自卷积运算改造,进一步分析了自卷积运算对数据窗函数频谱特性的影响;其次,通过一阶自卷积Kaiser窗实现谱线插值算法和全相位预处理算法的优势互补,解决谱线插值算法频率估计理论误差累积问题和全相位数据预处理算法的栅栏效应加剧问题,从而提出了基于一阶自卷积Kaiser窗的电力谐波检测FFT算法;(3)针对电力电子化电力系统谐波带宽情况下的高频段谐波检测计算时间冗余问题,优化算法的采样频率和采样时窗数据,提出分频段谐波检测思想。针对不同频段的谐波采用不同的采样频率和采样时窗数据对信号进行一阶自卷积Kaiser窗的FFT算法分析,在保证检测精度下提高计算速度,综合增强了宽频谐波检测算法性能,实现在不显著增加计算量的情况下获得更好的频率、幅度和初始相位角估计,同时提高算法的抗噪性能和稳定性。最后构建包含50次多正弦谐波信号模型进行仿真分析,引入基波频率波动和白噪声干扰测试验证了所提基于一阶自卷积窗的分频段谐波检测FFT算法对宽频谐波检测的有效性。
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