諧波檢測算法發(fā)展現(xiàn)狀

趙劍鋒

【摘要】隨著諧波問題的日益嚴(yán)重，如何提取檢測諧波信號變得越來越重要。傅里葉分析方法作為經(jīng)典的信號分析方法具有正交、完備等許多優(yōu)點，是刻畫函數(shù)空間和進行數(shù)值計算的主要方法和有效的數(shù)學(xué)工具，因而其在諧波信號檢測中也得到了廣泛的應(yīng)用，是目前應(yīng)用最為廣泛的諧波信號檢測方法之一。

【關(guān)鍵詞】諧波治理；DSP芯片；諧波檢測；傅里葉算法

一、課題研究的目的、意義

電能是現(xiàn)代社會的主要能源，在各行各業(yè)中有著最廣泛的應(yīng)用，是人類現(xiàn)代文明的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，同時電能質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到國民經(jīng)濟總體效益。理想的供電系統(tǒng)中，電能總是以單一恒定頻率和穩(wěn)定的電壓由電源流向負(fù)載；在電能傳遞和轉(zhuǎn)換過程中，電源電壓波形始終保持為正弦波，對其它負(fù)荷不產(chǎn)生任何干擾。

但是隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，工作在非線性條件下的各種功率器件得到廣泛應(yīng)用，諸如空調(diào)、冰箱、電梯等等，這些電力電子裝置在提高人們生活質(zhì)量的同時，向電網(wǎng)中注入了大量的諧波電流，使諧波問題變得非常突出，形成所謂電力公害。電力諧波嚴(yán)重危害電能的供給和使用，它一方面使供電系統(tǒng)的供電效率下降并且威脅電力系統(tǒng)自身的安全運行；另一方面影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，使電力用戶的電能使用受到限制甚至燒毀用電設(shè)備。保護人類賴以生存的電力環(huán)境，治理電力諧波污染，將電力系統(tǒng)的諧波水平控制在允許的限值之內(nèi)，為越來越多的人們所認(rèn)同，已經(jīng)成為全人類的共識。

諧波治理的首要環(huán)節(jié)是諧波信號的檢測問題，只有先準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)中的諧波信號，才能對其進行抑制、補償。所以隨著諧波污染的日益嚴(yán)重，研究諧波信號的檢測方法是有非常重大的現(xiàn)實意義的。

現(xiàn)有的諧波檢測方法很多，對其編程、計算機實現(xiàn)的研究也很多，但是效果都不令人滿意。現(xiàn)有的算法及編程研究都存在以下幾個缺點：

（1）算法很復(fù)雜，實現(xiàn)困難；

（2）算法實現(xiàn)所編程序繁瑣復(fù)雜，效率不高；

（3）程序在計算機中執(zhí)行的延時太大；

（4）程序通過計算機實現(xiàn)時帶來的誤差太大.

由于以上所提出的缺點等，使諧波檢測的精度大大下降，從而影響了諧波補償?shù)男Ч?。所以如何通過有效地編程準(zhǔn)確、實時地實現(xiàn)諧波檢測算法變得非常重要。

目前，DSP芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動控制、圖像處理、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器儀表和家電等領(lǐng)域；DSP為數(shù)字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)。其中TMS320系列應(yīng)用最為廣泛，是專為實時信號處理而設(shè)計的，該系列DSP特性如下：

（1）靈活的指令集

（2）內(nèi)部操作靈活性

（3）高速的運算能力

（4）改進的并行結(jié)構(gòu)

（5）有效的成本

但是DSP編程時，一般都采用匯編語言，匯編語言雖然執(zhí)行時速度很快，但是匯編語言很生澀，不靈活，給一些算法的實現(xiàn)帶來困難，甚至需要用很多句程式來實現(xiàn)一個公式；而一直廣泛采用的C語言比較成熟、靈活，給人們編程的自由空間很大，用C語言編寫DSP程序不僅使DSP開發(fā)的速度大大加快，而且開發(fā)出來的DSP程序的可讀性和可移植性也大大增加，程序修改也極為方便。在DSP芯片的運算能力不是十分緊張時是非常合適的。但是在某些情況下，C代碼的效率還是無法與手工編寫的匯編代碼的效率相比。這是因為，即使是最佳的C編譯器，也無法在所有的情況下都能夠最佳地利用DSP芯片所提供的各種資源，如TMS320C3X所提供的環(huán)形尋址等。用C語言編寫的中斷程序雖然可讀性好，但由于在進入中斷程序后，有時不管程序是否用到，中斷程序都將寄存器進行保護，從而大大降低中斷程序的效率。如果中斷程序頻繁被調(diào)用，那么即使是一條指令也是至關(guān)重要的。此外，用C語言實現(xiàn)DSP芯片的某些硬件控制也不如匯編語言程序方便。有些甚至無法用C語言實現(xiàn)。因此，如果把匯編語言和C語言聯(lián)合起來進行混合編程，不但可以簡單的實現(xiàn)算法，還可以很好地節(jié)省計算時間，不影響程序?qū)崿F(xiàn)的實時性，同時可以達到最佳利用DSP芯片軟硬件資源的目的。

基于以上所述，本文研究準(zhǔn)確、實時、方便的諧波檢測方法及其計算機編程實現(xiàn)是具有非常重大的現(xiàn)實意義的。

二、諧波檢測算法的研究現(xiàn)狀和進展

諧波問題一經(jīng)提出，立即得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，各種諧波檢測方法相繼被提出。常規(guī)的諧波檢測方法有：模擬帶通或帶阻濾波器，基于傅里葉變換的諧波檢測方法、基于瞬時無功功率的諧波檢測方法等。在全數(shù)字化的現(xiàn)代社會，人們普遍采用數(shù)字方法實現(xiàn)諧波檢測。采用傅里葉變換進行諧波分量檢測的方法是比較常用的方法。隨著數(shù)字信號處理（DSP）芯片運算速度的極大提高，用Fourier分析檢測諧波所引起的延時也越來越小，實時性有了很大提高。但是傳統(tǒng)的傅里葉分析方法在計算傅里葉系數(shù)時，是在固定時間坐標(biāo)系中進行的，總是以一個時間零點為基準(zhǔn)，在整個時間軸上進行計算，DSP進行離散化算法時，所用的內(nèi)部產(chǎn)生的正弦基也是以同一個時間零點為基準(zhǔn)。這樣，因為DSP微處理器內(nèi)部時鐘產(chǎn)生的正弦信號周期不能與實際電網(wǎng)周期完全相等，因此在多個電周期后，會有較大的積累誤差和非同步采樣誤差，這嚴(yán)重地影響了諧波檢測的準(zhǔn)確性。

基于上述缺點，很多改進的傅里葉分析方法相繼被提出，但是這些算法都很復(fù)雜，不利于在計算機中編程實現(xiàn)，有些即使通過編程實現(xiàn)了，也會帶來很大的延時和誤差，使檢測的準(zhǔn)確性很差，所以如何有效的改進傅里葉算法，并且如何對改進后的算法進行高效的編程以利于計算機實時實現(xiàn)變得非常重要。

綜上所述，為了檢測時變的諧波，前人做了很多有益的研究，也已經(jīng)提出了很多種較好的諧波檢測方法，但是每一種方法都還有其不可避免的缺點，在選擇諧波電流的實時檢測方法時，應(yīng)保證：精度高、具有瞬時性、算法簡單、配合使用的硬件簡單、實現(xiàn)方便、具有多種功能等。因此，如何設(shè)計一種高精度、實時性好且適用范圍寬的諧波檢測方法是具有很大意義的。

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