摘 要

近年来，随着大量电力电子器件的投入应用，电网中的谐波分布情况越来越复杂，对电能质量的污染问题也越来越严重。谐波检测是研究谐波问题的关键，实时、精确掌握电网中谐波的含量和分布情况，对器件保护、电网安全保障是非常有必要的，对谐波治理更是必需的一步。

本文以谐波和间谐波为研究对象，深入分析电力系统谐波和间谐波的产生来源，仔细研究电力系统谐波的成分特点。其次，了解电力系统谐波检测的一般常用算法，对谐波检测的经典算法FFT算法进行透彻理解，并使用MATLAB数字仿真软件实现对FFT算法的仿真，验证谐波检测的效果，对其在变换过程中出现的一些问题如采样问题、频谱混叠问题、频谱泄露问题和栅栏效应问题提出了一种改进算法。该改进算法主要从加窗和插值两个方面进行改进，提出一种更适合谐波检测的汉宁窗函数和双峰谱线插值修正算法，提高了谐波检测的精度。此外，本文还提出了FFT算法的DSP实现方法，其编程实现步骤主要分为实现输入数据的倒位序变换、蝶形运算的循环结构、功率谱的计算和输出FFT结果，对比发现其实验结果与MATLAB仿真结果大致相符。

最后，本文还设计了电力系统谐波检测硬件电路。整个检测电路主要由互感器电路、抗混叠滤波电路、频率捕捉电路、A/D转换电路、DSP数字处理及硬件抗干扰设计等组成，并充分从应用条件和环境确定了其选型及参数。

关键词：谐波检测；FFT；算法；

Abstract

In recent years, with a large number of power electronic devices put into use, the distribution of harmonic distribution in the power grid more and more complex, the quality of the pollution problem is more and more serious. Harmonic detection is the key to study the harmonic problem, real-time, accurate grasp of the harmonic content and distribution of the power grid, the device protection, power grid security is very necessary, the harmonic control is a necessary step.

In this paper, harmonic and interharmonics are studied, and the sources of harmonics and interharmonics in power system are deeply analyzed. The characteristics of harmonic components in power system are studied carefully. Secondly,this paper understand the general algorithm of harmonic detection in power system, and make a thorough understanding of the classical algorithm FFT algorithm of harmonic detection, and use MATLAB digital simulation software to realize the simulation of FFT algorithm to verify the effect of harmonic detection. This paper presents an improved algorithm for some problems such as sampling problem, spectral aliasing problem, spectrum leakage problem and fence effect in the process of transformation. The improved algorithm mainly improves the windowing and interpolation, and proposes a Hanning window function and bimodal spectral interpolation correction algorithm which is more suitable for harmonic detection, and improves the accuracy of harmonic detection. In addition, this paper also proposes the DSP implementation method of FFT algorithm. The programming steps are mainly divided into the reverse order transform of input data, the cyclic structure of butterfly operation, the calculation of power spectrum and the output FFT result,the results show that the experimental results are in good agreement with the MATLAB simulation results.

Finally, this paper also designs the hardware circuit of harmonic detection in power system. The whole detection circuit is mainly composed of transformer circuit, anti-aliasing filter circuit, frequency capture circuit, A/D conversion circuit, DSP digital processing and hardware anti-jamming design, and fully from the application conditions and the environment to determine its selection and parameters

Key Words：harmonic detection；FFT；algorithm；

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 谐波的相关分析 1

1.2.1 谐波与间谐波的定义 1

1.2.2 谐波的来源 2

1.2.3 谐波的危害 2

1.3 国内外谐波检测研究现状 3

1.4 论文章节安排 4

第2章 基于FFT及其改进谐波检测算法的方案设计 6

2.1 基于傅里叶变换的谐波检测原理 6

2.1.1 离散傅里叶变换算法基本原理 6

2.1.2 快速傅里叶变换算法基本原理 8

2.2 FFT算法谐波检测中出现的问题 12

2.2.1 采样问题及频谱混叠问题 12

2.2.2 频谱泄露问题 14

2.2.3 栅栏效应问题 15

2.3 加窗插值改进算法 16

2.3.1 窗函数分析 16

2.3.2 插值算法分析 17

2.4 本章小结 19

第3章 FFT算法的DSP实现 20

3.1 DSP简述 20

3.2 FFT算法的DSP实现过程 21

3.2.1 FFT程序的算法流程 21

3.2.2 FFT算法的实现步骤 22

3.3 本章小结 23

第4章 谐波检测硬件电路设计 24

4.1 硬件设计基本原则 24

4.2 谐波检测硬件电路设计分析 25

4.2.1 互感器电路的设计 25

4.2.2 抗混叠滤波电路的设计 28

4.2.3 频率捕捉电路的设计 29

4.2.4 A/D转换电路的设计 30

4.2.5 DSP处理芯片的选择 32

4.2.6 硬件抗干扰设计 34

4.3 本章小结 34

第5章 算法仿真及实验结果说明 36

5.1 FFT及FFT加窗插值MATLAB仿真 36

5.2 FFT算法的DSP仿真说明 42

5.3 谐波监测实物试验说明 43

5.4 本章小结 45

第6章 总结与展望 46

6.1 总结 46

6.2 展望 47

参考文献 48

附录A 50

附录B 53

致谢 59

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

近年来，随着科学技术的迅速发展，大量的电力电子器件投入应用，使得非线性负载大量增加，电网中产生谐波和间谐波量也随之大量增加，其在电网中的分布情况也越来越复杂，对电力质量的影响也越来越严重^[1]。

在实际电网中，由于发电机结构的一些固有缺陷、大量非线性负载的投入使用以及电网中可能出现的一些电力故障等问题都会使电网中的电压、电流出现不同程度的畸变，在严重降低电力质量的同时，谐波和间谐波也由此而生。这些产生的谐波和间谐波不但会影响电力设备的正常工作，而且会使设备的工作效率急剧降低甚至缩短设备的使用寿命。因而，谐波问题亟待解决^[2]。