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有功功率的最佳起始角采样与小波包测量方法研究

作　者: 刘艳梅
导　师: 付志红
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 最佳起始角采样有功测量误差功率因数控制移相器动态信号小波包
分类号: TM933.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

数字采样功率（电能）测量技术广泛运用于电气自动化领域，是促进电测仪表发展的技术先导和维护发电、供电、用户三方利益的重要保障。目前常用的功率测量技术在运用中都存在一定的局限性，主要体现在测量精度和速度之间的矛盾。同时，智能电网新形势下，电网信号呈现的新特性，如含谐波的稳态周期信号、非稳态信号等促使我们对交流采样功率测量误差进行深入、全面和系统的研究，也启发我们探索出新的采样测量方法以满足电功率测量的准确性和实时性。本文以解决稳态信号有功测量精度与速度的问题、探究非稳态信号有功测量方法为研究重点，主要开展了以下工作：首先，阐述了同步采样、准同步采样、非同步采样的基本原理，总结了各种采样方式下有功测量误差产生的原因及改进方法的性能，为研究非同步采样有功测量误差及方法奠定基础。其次，分析了单相正弦、单相非正弦情况下非同步采样有功测量的误差，提出基于最佳采样起始角的高精度有功测量方法——最佳采样法，并讨论了采样点数对最佳采样有功测量误差的影响。通过推导三相对称正弦、三相不对称正弦系统总有功误差表达式，并从工程角度说明该方法也适用于三相稳定系统。仿真结果表明，最佳采样法可有效提高有功测量精度，其测量精度比传统过零点采样法高，特别是对于正弦系统，精度可提高一个数量级。再次，针对最佳采样法设计了实时有功测量系统。该系统由电压、电流变换采集、最佳采样触发脉冲发生电路、数据采集和处理单元构成。特别设计了功率因数控制移相器产生移相触发信号。Multisim仿真结果表明，该移相器在移相范围（0~180°）内的移相精度可达0.1°，且响应速度快（仅需一个周期），对应的理论有功测量误差在0.03%左右。该设计电路简单，实时性好，克服了软件编程缺乏规范化、实时性差等缺点，能适用于ADI公司的芯片集成化，简化功率测量的软硬件设计。最后，探究了小波包法计算动态信号有功功率的有效性及对实际信号的适应性。讨论了小波基的选取原则，指出小波包法分析信号的好坏受所选小波基的影响较大。MATLAB仿真结果表明，选择合适的小波基，该法的有功计算精度可达10-4数量级，并对实际信号有很强的适应性。分析和讨论了频率波动对该法有功计算精度的影响，说明该法的有功计算精度也会受非整周期采样的影响，其改进方法有待下一步的研究和探索。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-18
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 交流采样有功测量技术中的基本概念和相关标准  10-13
    1.2.1 有功测量基本原理  10-11
    1.2.2 电力系统频率标准及测量标准  11
    1.2.3 谐波定义及畸变率  11-13
  1.3 交流采样有功功率测量技术的研究现状  13-17
  1.4 本文主要研究内容及工作  17-18
2 交流采样有功测量的基本理论  18-30
  2.1 硬件同步采样法  18-22
    2.1.1 基本原理  18-19
    2.1.2 硬件采样同步误差产生的原因  19-21
    2.1.3 改进方法  21-22
  2.2 软件同步采样法  22-26
    2.2.1 基本原理  22-23
    2.2.2 软件采样同步误差产生的原因  23-25
    2.2.3 改进方法  25-26
  2.3 准同步采样法  26-28
  2.4 非同步采样法  28
  2.5 三种采样方法的性能比较  28-29
  2.6 本章小结  29-30
3 最佳起始角采样有功测量方法研究  30-48
  3.1 单相正弦信号有功测量误差分析  30-34
    3.1.1 有功测量最佳采样起始角的选择  32-33
    3.1.2 采样点数对最佳采样有功测量误差的影响  33-34
  3.2 单相非正弦信号有功测量误差分析  34-35
  3.3 最佳采样对三相系统有功测量的适用性  35-37
    3.3.1 三相对称正弦系统有功测量误差分析  35-36
    3.3.2 三相不对称正弦系统有功测量误差分析  36-37
  3.4 最佳采样有功测量仿真分析  37-39
    3.4.1 正弦信号有功测量误差仿真分析  38
    3.4.2 非正弦信号有功测量误差仿真分析  38-39
  3.5 最佳采样有功测量的实现  39-46
    3.5.1 电压、电流变换采集  40-41
    3.5.2 功率因数控制移相器的设计  41-45
    3.5.3 移相器仿真测试  45-46
  3.6 本章小结  46-48
4 动态信号有功功率的小波包分析方法研究  48-57
  4.1 基本动态信号模型  48-49
    4.1.1 正弦包络工频信号  48-49
    4.1.2 梯形包络工频信号  49
  4.2 小波包法有功测量理论  49-51
    4.2.1 信号的小波包分解算法  49-51
    4.2.2 动态信号的有功计算方法  51
  4.3 小波基的选取准则  51-52
  4.4 动态信号有功计算仿真实验  52-55
    4.4.1 动态信号有功计算仿真及频率波动影响分析  52-54
    4.4.2 实测信号仿真  54-55
  4.5 本章小结  55-57
5 全文总结与研究展望  57-59
  5.1 主要工作和结论  57-58
  5.2 未来研究展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-64
附录  64

有功功率的最佳起始角采样与小波包测量方法研究

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