電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案畢業(yè)設(shè)計(jì)word格式(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國(guó)應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī) 。 對(duì)于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、 IGBT等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的 10％以上時(shí)，由于電機(jī)的磁飽和，會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過(guò)額定電壓 10%以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在 177。7 ％以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國(guó)家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。 為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備， 也就是說(shuō)非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類： （ 1） 電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。 （ 2） 交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車(chē)、電解、電鍍等。 （ 3） 交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。 （ 4） 開(kāi)關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。 這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下 ： ① 電弧加熱設(shè)備是由于電弧在 70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì)有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電 壓的非線性（如圖 31所示）。 圖 31弧電流與弧電壓的非線性 波形 此外，弧電流的波形還有一定的非對(duì)稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為 18次以下的低次諧波污染。其實(shí)電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時(shí)率就更小了，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響比較小 ， 但在當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時(shí)，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。 圖 32局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化 波形 塔里木大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 6 ② 交流整流直流用電設(shè) 備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零 (如圖 32所示 )。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。 ③ 交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過(guò)程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的 諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波 (如圖 33所示 )。 圖 33設(shè)備示意圖 雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。 ④ 開(kāi)關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過(guò)開(kāi)關(guān)管控制變壓器初級(jí)電流的開(kāi)通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開(kāi)關(guān)電源的頻率比較高一般在 40kHz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開(kāi)關(guān)管開(kāi)閉時(shí)，反射 40kHz左右的波至電 源。這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會(huì)通過(guò)配變污染到 10kV電網(wǎng)。 用于諧波分析的 DFT和 FFT算法 對(duì)電力系統(tǒng)諧波的分析方法通常采用頻域分析法，即將畸變波形分解成傅立葉級(jí)數(shù)，從而在頻域中計(jì)算出包含在畸變波形中的高次諧波分量幅值和相角。 本設(shè)計(jì)是在離散采樣的基礎(chǔ)上，采用快速傅立葉變換（ FFT）將電壓，電流模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ）采樣得到的數(shù)字信號(hào)中各次諧波在頻域中分離，求出各次諧波頻 率及諧波畸變率 THD。 由于快速傅立葉算法（ FFT）是離散傅立葉（ DFT）的一種快速算法，因此，先介紹 DFT然后介紹 FFT。 離散傅立葉變換（ DFT） : 設(shè) ()xn 為 N點(diǎn)的有限長(zhǎng)序列，則其正變換 DFT 為： 10( ) ( )N nkNnX k x n W??? ? 0,1, , 1kN?? 逆變換 IDFT為： 101( ) ( )N nkNkx n X k WN? ??? ? 0,1, , 1nN?? 其中， 2/i pi NNWe?? 快速傅立葉變換（ FFT） : 在傅立葉變換的基礎(chǔ)上 ,利用指數(shù)函數(shù)的周期性、對(duì)稱性和正交性 ,提出一種將離散傅立葉變換的計(jì)算量顯著減少的計(jì)算技術(shù) ,這就是快速傅立葉變換 (FFT) 。它的基本思想就是利用 NW 的周期性和對(duì)稱性，使長(zhǎng)序列的 DFT分解為更小點(diǎn)數(shù)的 DFT，從而大大減少了運(yùn)算工作量。 信號(hào)指令信號(hào)返回單片機(jī)逆變器整流器塔里木大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè) N點(diǎn)的離散傅立葉變換是一個(gè) N維的復(fù)線性運(yùn)算，其計(jì)算量為 2N 次復(fù)數(shù)乘法和 N(N一 l)次復(fù)數(shù)加法，直接計(jì)算 DFT，乘法次數(shù)和加法次數(shù)都是和 2N 成正比的，當(dāng) N很大的時(shí)候，運(yùn)算量是十分可觀的。 (例如 :當(dāng) N=8時(shí)， DFT 需要 64次復(fù)數(shù)乘法 。而當(dāng) N=1 204時(shí)， DFT所需復(fù)數(shù)乘法為 1， 048， 576 次，即一百多萬(wàn)次復(fù)乘運(yùn)算 )。對(duì)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的信號(hào)處理來(lái)說(shuō)，對(duì)計(jì)算速度的要求實(shí)在是太高了，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果將 N點(diǎn)的 DFT分解為兩組 2N點(diǎn)的 DFT，然后把他們加 起來(lái)，其計(jì)算量減少到 22N 次復(fù)數(shù)乘法和 22 次復(fù)數(shù)加法。因此，通過(guò)這樣的分解后，運(yùn)算工作量差不多減少了一半，如此繼續(xù)分解下去，使得計(jì)算量最小，這就是實(shí)現(xiàn)快速傅立葉變換 (FFT)的一種基本技術(shù)途徑 —— 按時(shí)間抽取 (DIT)(DecimationInTime)，另外一種技術(shù)途徑――按頻域抽取充分利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性，對(duì)稱性和正交性而有效地減少計(jì)算量。 FFT的算法有 20多種，在這里以時(shí)間抽取 (DIT)基 2FFT算法為例來(lái)說(shuō)明： 這種算法是將輸入序列在時(shí)域上的次序按偶數(shù)和奇數(shù)來(lái)抽取，對(duì)于任意一個(gè) 2MN? 點(diǎn)長(zhǎng)序列的DFT運(yùn)算，可以采用 M次分解，最后分解成 2點(diǎn)的 DFT運(yùn)算的組合，從而降低了運(yùn)算量。 設(shè) x(n)的序列長(zhǎng)度為 2LN? (L為整數(shù) )。這序列按 n的奇偶分為兩組 : 12(2 ) ( )(2 1) ( )x r x rx r x r??? ( 0,1, , 1)2Nr ?? （ 31） 則可將 DFT 化為如下形式，其中 X(k)是 x(n)的離散傅立葉變換系數(shù)， 2()nink NNWl?? ? ?1011222 ( 2 1 )001122221200( ) ( )()( 2 ) ( 2 1 )( ) ( ) ( ) ( )NnkNnNNr k r kNNrrNNr k k r kN N NrrX k D FT x nx n Wx r W x r Wx r W W x r W?????????????? ? ???????? （ 32） 又由于有 22NNWW? 則上式可以表示成 112212220012( ) ( ) ( )( ) ( )NNr k k r kN N NrrkNX k x r W W x r WX k W X k?????????? 0,1, , 12Nr ?? 式子中的 1()xk和 2()xk分別是 1()xr及 2()xr的 2N 點(diǎn)的 DFT： 11221 1 2 20011222 2 2 200( ) ( ) ( 2 )( ) ( ) ( 2 1 )NNrk rkNNrrNNrk rkNNrrX k x r W x r WX k x r W x r W??????????? ? ????? （ 33） 由該式可以看出，一個(gè) N點(diǎn)的 DFT已經(jīng)分解成兩個(gè) 2N 點(diǎn)的 DFT，它們按（ 32）式又組合成一塔里木大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 個(gè) N 點(diǎn) DFT。但是 1()xr和 2()xr以及 1()xk和 2()xk都是2N點(diǎn)的序列，即 r, k 滿足 r， k=0，??， 2N1。而 X(k)卻是 N點(diǎn)的，而用（ 32）式計(jì)算得到的只是 X(k)的前一半項(xiàng)數(shù)的結(jié)果，要用 1()xk和 2()xk來(lái)表達(dá)全部的 X(k)值，還必須應(yīng)用系數(shù)的周期性，即 ( 2 )22rk r k NNNWW ?? 這樣可以得到： 1122 ( 2 )1 1 2 1 2 100( ) ( ) ( ) ( )2NNr N k r kNNrrNX k x r W x r W X k?? ???? ? ? ??? （ 34） 同理可得： 22( ) ( )2NX k X k?? （ 35） 式 (44)和 (45)說(shuō)明了后半部分 k值（ 12N kN? ? ?）所對(duì)應(yīng)的 1()xk和 2()xk分別等于前半部分 k值 (0 )2Nk??所對(duì)應(yīng)的 1()xk和 2()xk。再考慮到 KNW 的對(duì)稱性： 22NNk kKN N N NW W W W? ? ? ? （ 36） 這樣，把 (44)， (45)和 (46)式代入到 (42)式，就可以將 x(k) 的表達(dá)為前后兩部分 ( ) ( 0 ,1, , 1)2NX k k ?? 前半部分 12( ) ( ) ( ) ( 0 , 1 , 1 )2KN NX k X k W X k k? ? ? ? ( )( , , 1)2NX k k N?? 后半部分 12( ) ( ) ( ) ( 0 , 1 , 1 )2KN NX k X k W X k k? ? ? ? 其中 11221 1 1002211222 2 10022( ) ( ) ( 2 )( ) ( ) ( 2 1 )NNrk rkNNrrNNrk rkNNrrX k x r W x r WX k x r W x r W??????????? ? ????? （ 37） 這樣，只要求出到 (2N 1)區(qū)間的所有 1()xk和 2()xk值，即可求出 0到 (N1)區(qū)間內(nèi)的所有 X(k)值，這就大大節(jié)省了運(yùn)算。 既然如此，由于 N=2L （ L為整數(shù)），因而 2N 仍是偶數(shù)，可進(jìn)一步把每個(gè) 2N 點(diǎn)的子序列再按奇偶數(shù)部分分解為兩個(gè) 4N 點(diǎn)的子序列。 塔里木大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì) 9 1314( 2 ) ( )( 2 1) ( )( 0 ,1, , 1)4x l x lx l x lNl????? 11422 ( 2 1 )1 1 2 1 2001144223 2 2 4 200( ) ( 2 ) ( 2 1 )( ) ( ) ( ) ( )NNrk l kNNllNNlk K lkN N NllX k x l W x l Wx l W W x l W?????????? ? ??????? （ 38） 又由于有 2 24NNWW? 則上式可表示成 11441 3 4 2 4 4003 2 4( ) ( ) ( )( ) ( )( 0 , 1 , , 1 )4NNK K lkN N NllkNX k x l W W x l WX k W X kNk???????????? 并且 1 3 2 4( ) ( ) ( ) ( 0 , 1 , , 1 )44kNNNX k X k W X k k? ? ? ? ? 其中 11443 3 4 1 40011444 4 4 1 400( ) ( ) ( 2 )( ) ( ) ( 2 1 )NNlk lkNNllNNlk lkNNllX k x l W x l WX k x l W x l W??????????? ? ????? 2