一種適用于艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法及裝置，屬于艦船電氣工程【技術領域】。本發明的裝置包括電壓傳感器、電流傳感器、機箱接線端子、信號調理電路、數據采集卡和工業控制計算機。接線端子、數據采集卡和信號調理電路安裝于工控機內部，工控機通過標準串行口獲得輸入數據，再利用虛擬儀器的LabVIEW軟件將采集進來的信號按變比還原和記錄原始信號；能完成對基波、諧波和間諧波的頻率、幅值和相位等參數的全面檢測；檢測結果直接顯示在工控機的液晶屏上。本發明采用頻率跟蹤算法、基波和諧波提取算法及其間諧波檢測算法實現基波、諧波和間諧波分離檢測。
【專利說明】-種適用于艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法和 裝置

【技術領域】
[0001] 本發明屬于艦船電氣工程【技術領域】，特別涉及一種諧波和間諧波參數檢測檢測方 法及裝置。

【背景技術】
[0002] 近年來隨著電力電子技術的迅速發展，大量非線性負荷如整流電源、頻率變換器、 調速變流器和通用變頻器等裝置接入到艦船電力系統，使得艦船電網的諧波和間諧波問題 日益嚴重。由于艦船電力系統是一個獨立的小容量電網，諧波和間諧波的產生不僅會嚴重 降低艦船電網電能質量，還可能威脅到整個艦船電力系統的安全運行，對艦船電力系統的 諧波和間諧波問題進行分析、研究，并采取相應的抑制措施已非常迫切。
[0003] 艦船電力系統的諧波和間諧波治理除采用從源頭上進行控制的方式外，常采用加 裝無源濾波器、有源濾波器和有源功率因數校正器等方式來進行抑制。多種諧波治理方式 常常會綜合使用，如常用的混合濾波器會采用無源濾波器來完成主要次諧波的濾波功能并 使其承擔大部分的無功容量補償，而采用有源濾波器來完成次要次諧波和間諧波的進一步 濾除和承擔小部分的無功容量補償。在混合治理方式中，首要的要求是對基波、諧波和間諧 波實現檢測分離，這樣才可有針對性的設計濾波器參數，實現諧波和間諧波的最優控制。
[0004] 目前，艦船電力系統常采用基于傅里葉變換或瞬時無功理論的方法來檢測諧波或 間諧波，基于傅里葉變換的檢測方法在采樣時間有限的情況下頻率分辨率低，基于瞬時無 功理論的檢測方法一般只考慮了基波信號的分離，上述兩種檢測方法無法實現基波、諧波 和間諧波的分離檢測；
[0005] 上述兩種方法均采用的是鎖相環結構，硬件實現方式復雜，且鎖相環的性能會受 到諧波、間諧波和三相不平衡的影響；
[0006] 此外，基于瞬時無功理論的檢測方法主要針對三相交流電網提出，不適用于單相 交流電網和可能直流電網。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的是克服現有檢測方法和裝置的不足，提出一種適用于艦船電力系統 的諧波和間諧波分離檢測方法和裝置，能實現對基波、諧波和間諧波的單獨檢測和評估，以 為無源濾波器、有源濾波器和有源功率因數校正器等濾波手段的優化設計提供分析手段。
[0008] -種艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法，包括以下步驟：
[0009] 第一步：對艦船電網電壓或電流信號進行采樣；
[0010] 第二步：對第一步中的采樣信號進行均值濾波分離直流分量，并得到只含交流分 量的信號；
[0011] 第三步：根據已知的交流分量基波頻率對第二步中得到的只含交流分量的信號進 行窄帶帶通濾波得到只含基頻分量的信號；
[0012] 第四步：對第三步中得到的只含基頻分量的信號采用頻率跟蹤算法計算實時的基 波頻率；
[0013] 第五步：根據第四步中的基波頻率由并行的子陷波結構從只含交流分量的信號中 提取基波和各次諧波分量，利用最小二乘法計算基波和各次諧波的幅值和相位，即采用基 波和諧波提取算法；
[0014] 第六步：將第五步中得到的基波和諧波分量從只含交流分量的信號中去除，得到 只含間諧波分量的信號，對該信號進行參數譜估計得到間諧波頻率，利用最小二乘法計算 各間諧波的幅值和相位，即采用間諧波檢測算法。
[0015] 所述頻率跟蹤算法的原理為：
[0016] 假若一電壓信號可表不為：

【權利要求】
1. 一種艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法，其特征在于，包括以下檢測步 驟： 第一步：對艦船電網電壓或電流信號進行采樣； 第二步：對第一步中的采樣信號進行均值濾波分離直流分量，并得到只含交流分量的 信號； 第三步：根據已知的交流分量基波頻率對第二步中得到的只含交流分量的信號進行窄 帶帶通濾波得到只含基頻分量的信號； 第四步：對第三步中得到的只含基頻分量的信號采用頻率跟蹤算法計算實時的基波頻 率； 第五步：根據第四步中的基波頻率由并行的子陷波結構從只含交流分量的信號中提取 基波和各次諧波分量，利用最小二乘法計算基波和各次諧波的幅值和相位，即采用基波和 諧波提取算法； 第六步：將第五步中得到的基波和諧波分量從只含交流分量的信號中去除，得到只含 間諧波分量的信號，對該信號進行參數譜估計得到間諧波頻率，利用最小二乘法計算各間 諧波的幅值和相位，即采用間諧波檢測算法。
2. 如權利要求1所述的艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測方法，其特征在于，所 述頻率跟蹤算法的原理為： 假若一電壓信號可表不為：
(1) 式中：TS為采樣時間間隔，k為采樣點的序號，0^為額定基波角頻率，cod為基波角頻 率偏移量，A為基波幅值，P為基波相位，N為采樣點數； 基于傅里葉變換可將該電壓信號變換為兩個正交分量，即：
(2) 式中：隊=f；/%為額定基波頻率下的每周期采樣點數 通過三角函數變換可將上式化簡為： (3) (4) ?；為基波周期，式（3)和式（4)中的第一項均為與角頻率偏移量相關的分量，第二項 均為高頻分量且幅值衰減了 sin (0^1/2)^2 倍，若將式（3)和式（4)所示信號通 過低通濾波器，將得到只含第一項分量的信號，即：
(5) 上述分量滿足下式的差分關系：
(6) 基于上式可得到的瞬時表達式：
(7) 傅里葉變換采用遞推的形式來計算，即 Us (kTs) = Us ((k-1) Ts) +Tsu (kTs) sin (k ω 〇Ts) -Tsu ((k_N0) Ts) sin ((k_N0) ω 〇Ts) (8) Uc (kTs) = Uc ((k-1) Ts) +Tsu (kTs) cos (k ω 〇Ts) -Tsu((k-N0)Ts)cos((k-N0) ω〇Τ3) 由式（7)得到實時的基波角頻率偏移量％后，即可計算得到實時的基波角頻率 ω 0+ ω d。
3. -種艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測裝置，其特征在于，包括電壓傳感器、電 流傳感器、機箱接線端子、信號調理電路、數據采集卡和工業控制計算機； 上述裝置中，接線端子、數據采集卡和信號調理電路全部安裝于工業控制計算機內部， 工業控制計算機從電壓傳感器、電流傳感器獲得輸入數據后將采集進來的信號按變比還原 和記錄原始信號，利用檢測算法完成對基波、諧波和間諧波的頻率、幅值和相位的全面檢 測；然后對數據分析結果進行保存，并實現離線分析及報表生成功能；所述檢測算法由如 下功能模塊實現，包括均值濾波模塊、第一運算模塊、窄帶帶通濾波模塊、頻率跟蹤模塊、基 波和諧波分量提取模塊、第二運算模塊和參數譜估計模塊；輸入信號通過均值濾波模塊進 行均值濾波后分離直流分量，通過第一運算模塊得到只含交流分量的信號，然后根據已知 的交流分量基波頻率對只含交流分量的信號利用窄帶帶通濾波模塊進行窄帶帶通濾波得 到只含基頻分量的信號，利用頻率跟蹤模塊計算實時的基波頻率，基波和諧波分量提取模 塊根據基波頻率由并行的子陷波結構從只含交流分量的信號中提取基波和各次諧波分量， 第二運算模塊將基波和諧波分量從只含交流分量的信號中去除，得到只含間諧波分量的信 號，參數譜估計模塊對該信號進行參數譜估計得到間諧波頻率，最后利用最小二乘法計算 各間諧波的幅值和相位，各間諧波的幅值和相位直接顯示在工業控制計算機的液晶屏上。
4. 如權利要求3所述的艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測裝置，其特征在于， 所述電壓傳感器和電流傳感器分別采用WB系列電壓傳感器WBV411D07和電流傳感器 WBI411D47進行電壓和電流信號的獲取。
5. 如權利要求3所述的艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測裝置，其特征在于，所 述信號調理電路將信號轉換到便于數據采集卡處理的量程范圍內，并兼顧濾除頻率高于 20kHz的噪聲，實現抗頻譜混疊濾波。
6. 如權利要求3所述的艦船電力系統的諧波和間諧波分離檢測裝置，其特征在于，所 述數據采集卡采用美國國家儀器公司的16位高性能PCI數據采集卡PCI-6251，PCI-6251 具有16路16位模擬輸入通道，總采樣速率為1. 25MS/s。
【文檔編號】G01R23/167GK104155520SQ201410369465
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月30日 優先權日:2014年7月30日
【發明者】王建勛, 李紅剛, 陶襄樊, 劉宏, 彭亮, 董梁, 施衛華 申請人:中國船舶重工集團公司第七一九研究所