諧波檢測算法發展現狀

趙劍鋒

【摘要】隨著諧波問題的日益嚴重，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典的信號分析方法具有正交、完備等許多優點，是刻畫函數空間和進行數值計算的主要方法和有效的數學工具，因而其在諧波信號檢測中也得到了廣泛的應用，是目前應用最為廣泛的諧波信號檢測方法之一。

【關鍵詞】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

電能是現代社會的主要能源，在各行各業中有著最廣泛的應用，是人類現代文明的重要物質基礎之一，同時電能質量的優劣關系到國民經濟總體效益。理想的供電系統中，電能總是以單一恒定頻率和穩定的電壓由電源流向負載；在電能傳遞和轉換過程中，電源電壓波形始終保持為正弦波，對其它負荷不產生任何干擾。

但是隨著電力電子技術的飛速發展，工作在非線性條件下的各種功率器件得到廣泛應用，諸如空調、冰箱、電梯等等，這些電力電子裝置在提高人們生活質量的同時，向電網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。電力諧波嚴重危害電能的供給和使用，它一方面使供電系統的供電效率下降并且威脅電力系統自身的安全運行；另一方面影響電力系統的供電質量，使電力用戶的電能使用受到限制甚至燒毀用電設備。保護人類賴以生存的電力環境，治理電力諧波污染，將電力系統的諧波水平控制在允許的限值之內，為越來越多的人們所認同，已經成為全人類的共識。

諧波治理的首要環節是諧波信號的檢測問題，只有先準確地檢測出電網中的諧波信號，才能對其進行抑制、補償。所以隨著諧波污染的日益嚴重，研究諧波信號的檢測方法是有非常重大的現實意義的。

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

（1）算法很復雜，實現困難；

（2）算法實現所編程序繁瑣復雜，效率不高；

（3）程序在計算機中執行的延時太大；

（4）程序通過計算機實現時帶來的誤差太大.

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的效果。所以如何通過有效地編程準確、實時地實現諧波檢測算法變得非常重要。

目前，DSP芯片已經廣泛應用于自動控制、圖像處理、通信技術、網絡設備、儀器儀表和家電等領域；DSP為數字信號處理提供了高效而可靠的硬件基礎。其中TMS320系列應用最為廣泛，是專為實時信號處理而設計的，該系列DSP特性如下：

（1）靈活的指令集

（2）內部操作靈活性

（3）高速的運算能力

（4）改進的并行結構

（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，給一些算法的實現帶來困難，甚至需要用很多句程式來實現一個公式；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開發的速度大大加快，而且開發出來的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用，那么即使是一條指令也是至關重要的。此外，用C語言實現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。因此，如果把匯編語言和C語言聯合起來進行混合編程，不但可以簡單的實現算法，還可以很好地節省計算時間，不影響程序實現的實時性，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，本文研究準確、實時、方便的諧波檢測方法及其計算機編程實現是具有非常重大的現實意義的。

二、諧波檢測算法的研究現狀和進展

諧波問題一經提出，立即得到了各國學者的廣泛關注，各種諧波檢測方法相繼被提出。常規的諧波檢測方法有：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。在全數字化的現代社會，人們普遍采用數字方法實現諧波檢測。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。但是傳統的傅里葉分析方法在計算傅里葉系數時，是在固定時間坐標系中進行的，總是以一個時間零點為基準，在整個時間軸上進行計算，DSP進行離散化算法時，所用的內部產生的正弦基也是以同一個時間零點為基準。這樣，因為DSP微處理器內部時鐘產生的正弦信號周期不能與實際電網周期完全相等，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，這嚴重地影響了諧波檢測的準確性。

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雜，不利于在計算機中編程實現，有些即使通過編程實現了，也會帶來很大的延時和誤差，使檢測的準確性很差，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、實現方便、具有多種功能等。因此，如何設計一種高精度、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。

參考文獻：

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