準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波的測(cè)量

前言：隨著現(xiàn)在科技越來越發(fā)達(dá)，用電設(shè)備的種類也越來越多，線路中諧波的成分也變得越來越豐富，諧波污染的治理問題也日趨嚴(yán)重，許多儀器也相應(yīng)推出了諧波測(cè)量功能，我們?cè)撊绾螀^(qū)分這些諧波的測(cè)量方法并正確地使用他們進(jìn)行諧波測(cè)量呢？在本文中我們將進(jìn)行深入的探討。

一、諧波測(cè)量基本原理

目前最常用的諧波分析方法是使用傅里葉變換，將時(shí)域的離散信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，得到離散的頻譜，從離散的頻譜中挑選出各次諧波對(duì)應(yīng)的譜線，計(jì)算得出諧波各項(xiàng)參數(shù)。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于離散傅里葉變換存在“柵欄效應(yīng)”，采樣頻率不為基波的整數(shù)倍時(shí)，部分諧波可能不在離散傅里葉變換后的離散頻率點(diǎn)上，需要使用特殊的手段將柵欄空隙對(duì)準(zhǔn)我們關(guān)心的諧波頻率點(diǎn)。其中同步采樣法和頻率重心法使用最為廣泛。

二、同步采樣法

顧名思義，就是使采樣頻率與基波頻率同步改變。該方法從源頭上保證數(shù)據(jù)的采樣頻率為基波頻率的整數(shù)倍，如IEC 61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定50Hz使用10倍基波采樣率，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)離散傅里葉變換即可得到各次諧波分量。同步采樣常用硬件PLL實(shí)現(xiàn)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率，頻率的鎖定需要時(shí)間，受限于濾波器及相關(guān)器件，很難做到很寬的頻域，也很難保證頻譜特別豐富時(shí)的準(zhǔn)確性。

三、頻率重心法

使用足夠高的采樣頻率（一般大于4倍基波頻率）即可滿足直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，將信號(hào)的頻譜間隔拉開，并且使用更多周期的數(shù)據(jù)點(diǎn)做離散傅里葉變換，降低頻譜泄露的影響。最后根據(jù)窗函數(shù)的功率譜分布特性，通過頻譜的譜峰和次譜峰，找到真正的譜峰頻點(diǎn)——即離散頻譜的譜峰和次譜峰的重心。通過頻率重心法消除了柵欄效應(yīng)的影響，對(duì)各次諧波使用重心法，還得到一個(gè)偏離系數(shù)，使用該系數(shù)配合窗函數(shù)功率譜，可求解得到對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的相位和幅值等信息。至此，非同步采樣法同樣得到了各次諧波。受限于窗函數(shù)的頻譜特性，該法需要用足夠高采樣率來保證各頻率成分的頻譜互相影響足夠??；而且截?cái)嘣斐傻男孤┮膊荒芴螅駝t產(chǎn)生的假頻率疊加到真實(shí)頻譜里，導(dǎo)致結(jié)果誤差更大。

四、簡(jiǎn)單對(duì)比

基于以上實(shí)現(xiàn)原理可知，同步采樣法精度取決于PLL的準(zhǔn)確度，而后期計(jì)算簡(jiǎn)單。PLL中用到的濾波器限制了支持的基波頻率上限，因此在基波頻率較高時(shí)，同步采樣法一般無法支持；同樣是濾波器原因，無法很好濾除低偶次諧波，所以低偶次諧波幅值較大時(shí)，PLL就無法同步基波采樣，諧波分析結(jié)果也就完全錯(cuò)誤。

頻率重心法不需要額外濾波器，采樣器件可工作在支持的最高采樣頻率，使有效譜線拉開的同時(shí)提高了支持的諧波頻率范圍，而為了消除泄漏的影響，需要使用更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換。所以頻率重心法引入了數(shù)倍于同步采樣法的計(jì)算量。另外，重心法需要使用至少兩根譜線，而且受窗函數(shù)主瓣寬度限制，頻率重心法所能支持的頻率下限只能達(dá)到頻率分辨率的三倍以上。由于頻率重心法沒有反饋過程，不依賴于信號(hào)，模擬電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，理論上只要采樣率和使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)足夠，就能得到正確的結(jié)果。

特別地，因?yàn)橥讲蓸有枰布娐罚芟夼c成本與體積，大部分測(cè)量?jī)x器只支持一到兩個(gè)PLL源，而頻率重心法無此限制，甚至可任意定義基波源（對(duì)應(yīng)于PLL源，用于確定基波）。

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