基于Matlab的加窗FFT电力系统谐波分析.docx
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基于Matlab的加窗FFT电力系统谐波分析
山东农业大学
毕业论文
基于Matlab的加窗FFT电力系统谐波分析
院部机械与电子工程学院
专业班级电气3班
届次20**届
学生姓名
学号
指导教师
二О**年五月二十九日
目录
摘要：
1
1绪论错误!
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1.1课题背景、研究意义错误!
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1.2谐波的危害与来源错误!
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1.2.1谐波来源错误!
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1.2.2电力系统谐波的危害3
1.3谐波检测错误!
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1.4谐波的标准与指标错误!
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1.5国内外关于谐波的研究现状5
2谐波分析测量错误!
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2.1傅里叶级数与系数错误!
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2.2傅里叶级数的复指数形式错误!
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2.3谐波相量的卷积9
2.4傅里叶变换错误!
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2.5快速傅里叶算法错误!
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2.6傅里叶变换基本思想错误!
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2.7几种傅里叶变换的介绍14
2.7.1基-2FFT错误!
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4
2.7.2实值FFT错误!
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2.7.3局部FFT错误!
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3基于FFT谐波法研究检测方法错误!
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3.1FFT算法存在的问题错误!
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3.1.1奈奎斯特频率和混叠错误!
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3.1.2栅栏效应19
3.1.3频谱泄露错误!
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0
3.2算法的优化错误!
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0
3.2.1窗函数错误!
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0
3.2.2窗函数的选择错误!
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3.3FFT问题的优化错误!
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4
4仿真实验与分析错误!
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4.1仿真的理论依据错误!
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4.2仿真实验与分析错误!
未定义书签。
5
参考文献错误!
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8
致谢280
附录错误!
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基于Matlab的加窗FFT电力系统谐波分析
（山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018）
摘要：
随着电力系统中非线性电力元件的增多，电网中谐波分量大大增加，谐波污染的情况也日益严重，对电力系统的安全经济运行造成了极大的影响。
谐波测量是谐波问题研究的主要依据，实时测量电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际情况，对于防止谐波危害，维护电网的安全运行是十分必要的。
对于谐波的分析，常用的分析方法有快速傅里叶变换（FFT），沃尔什变换（Walsh）,哈里特变换（Harley）和小波变换（Wavelets）等。
快速傅里叶变换方法因为具有实现简单，精确度较好，功能较为丰富等优点，所以被用来作为常用的谐波检测方法，但是由于谐波分析时同步采样的难度较大，造成采样频谱泄露、栅栏效应，频率混叠等问题，使得算出的谐波精度不高。
针对快速傅里叶变换测量谐波精度不足的缺点，通常采用加窗值FFT和全相位FFT等方式进行FFT的优化。
本文的重点工作是：
分析FFT算法存在的缺陷以及针对这些缺陷进行的改进，分析了多种窗函数的特性，并根据多种穿函数的优缺点，适当的将多个窗函数组合起来，达到更高的精度，仿真的结果表明，这种方法是切实可行的，能够达到足够的精度要求。
关键词：
电力系统，谐波，FFT，窗函数，加窗。
HarmonicanalysisofpowersystembasedonMatlabforFFTpowersystem
ChuansenSun
（Mechanical&ElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity,Tai’an,Shandong271018）
Abstract：
Withtheincreaseofpowersystemnonlinearelectricelements,harmoniccomponentisgreatlyincreased,harmonicpollutionisbecomingmoreandmoreserious,thesafeandeconomicoperationofpowersystemcausedagreatimpact.Harmonicmeasurementisamainbasisinthestudyofharmonicproblems,real-timemeasurementinpowergridharmoniccontent,theexactgrasptheactualconditionsofpowernetworkharmonic,topreventtheharmofharmonics,maintenanceandthesafetyoperationofthepowergridisverynecessary.Fortheharmonicanalysis,thecommonmethodsofanalysisarefastFouriertransform（FFT）,Walshtransform（Walsh）,Harriettransform（Harley）andwavelettransform（Wavelets）,etc.FastFouriertransformmethodforitsrealizationissimple,goodaccuracyandmorefeaturerichandadvantages,itisusedforasacommonlyusedharmonicdetectionmethods,butduetotheharmonicanalysisofsynchronoussamplingdifficultyisgreater,causesamplingfrequencyspectrumleakageandpicketfenceeffect,frequencymixedstackandotherissues,makingthecalculatedharmonicprecisionisnothigh.InviewoftheshortcomingsofthefastFouriertransformformeasuringharmonicaccuracy,theoptimizationofFFTbyaddingwindowvalueFFTandfullphaseFFTisusuallyused.Thefocusofthispaperis:
analysisofFFTalgorithminthepresenceofdefectsandimprovementforthesedefects,analysisthecharacteristicsofvariouswindowfunctions,andaccordingtotheadvantagesanddisadvantagesofwearingavarietyoffunctions,appropriatethemultiplewindowfunctioncombination,achievehigheraccuracy.Simulationresultsshowthat,thismethodisfeasibleandcanmeettherequirementofsufficientaccuracy.
Keywords:
powersystem,harmonics,FFT,Windowfunction,pluswindow
1绪论
1.1课题背景、研究意义
通过示波器，我们可以观测到一个电气信号的、波形，每个时刻的电气信号的幅值。
如果把该电气信号加到一个高保真的放大器上面，可以听到一个各种频率的混合音调，所以，电气信号既可以用时域，同样也可以用频域的数据来表示。
现代社会，经济的发展离不开能源的供应，大量的电能需求是当今社会的现状。
随着越来越多的非线性元件在电力系统中的投入使用，电能质量不可避免的受到影响，大量谐波的存在使得电能质量不能够满足一些用户的需求，对电力系统的安全经济稳定运行带来的是潜在的威胁，同时对电力电子技术的发展同样有着不利的影响。
所以，谐波检测作为我们对谐波问题研究的出发点，成为我们重要的研究课题。
1.2谐波的危害与来源
1.2.1谐波来源
电力系统谐波的定义为电源所产生的频率（或者成为基波频率）的整数倍频率的正弦电压和正弦电流，谐波构成了电源电压和负荷电流的波形的主要畸变成分。
谐波产生的机理可以这么来进行简单的阐释：
发电部分通常在频率为50Hz或者60Hz的稳定频率下发电，发电机产生的电压的波形在实际生产中可以认为是正弦的。
但是当若干个非线性电力元件负荷加入电力系统时，产生的电流并非完全是正弦形的，因为系统阻抗的存在，会造成一个非正弦的电压降，由此，在负载侧所产生的电压畸变，也就是我们所说的电压中含有谐波。
电力系统谐波的来源有三个部分:
因为发电系统的质量不高而产生含有谐波的电压源；在供配电部分中产生的谐波；在负荷端产生的谐波。
对于发电部分的谐波，由于发电机的制作过程中一些发电绕组，铁芯的制作存在些误差，会产生一些谐波，但是当我们对发电机的结构和接线方式做一些处理后，发电端的电压波形基本可以认为是标准的正弦电压波形。
供配电部分产生谐波的主要原因是由于变压器的存在，变压器的绕组、铁芯的设计选择，工作磁密的选择，使得磁化电流含有高次谐波。
谐波的主要来源是负荷端的各种非线性元件，主要分为以下几种：
电弧加热设备，如电弧炉、电焊机等。
开关电源设备，如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
交流整流的直流用电设备，如电镀、电解设备、电动机车等。
交流整流再逆变用电设备，如变频空调，变频调速机等。
1.2.2电力系统谐波的危害
电力系统谐波的危害主要体现在以下方面：
（1）谐波的存在使得电网中的一些组件产生了附加的损耗，影响了发输变电以及用电的效率，大量的奇次谐波的存在使得流过中性线时线路发热甚至引起火灾。
（2）大量谐波的存在会使得各种用电设备的正常工作受到影响。
对于发电机，因为谐波的存在，引起附加损耗外，还会引起机械振动，过电压等危害，降低发电机的使用寿命.对于电力变压器、电容器、电缆也有着过热，绝缘老化，从而影响设备的使用寿命。
（3）电力系统谐波的存在还会造成部分电网谐振，从而加大谐波污染对电力系统的危害。
（4）谐波会造成电力系统二次侧误动，使得二次侧的设备不能准确的测得系统的运行情况。
（5）电力系统谐波会干扰附近通信系统的正常工作。
轻则影响人们日常通话活动，降低通话质量。
重则导致通信系统的崩溃，使得通信系统无法正常工作。
1.3谐波检测
谐波检测是对谐波问题进行分析、研究的基础。
只有准确的对谐波进行检测，才能更好的应对谐波污染的问题。
谐波检测的主要作用是：
（1）对电力系统中谐波进行检测，判断系统中的谐波水平是否符合关于谐波水平的规定。
（2）确保电气设备投入后能够正常运行。
（3）当系统由于谐波的影响不正常运行时及时检测的系统异常的原因，减少因为谐波造
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