基于TFT的动态相量分析与电压闪变测量方法研究

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《IEC61000-4-15:2010电磁兼容性(EMC)第4部分试验和测量技术第15节闪烁计功能和设计规范》标准要求在基波频偏、载波含谐波、基波相位跳变,噪声影响等复杂环境下对不同类型的闪变信号进行测量。但是大部分现有的闪变测量方法因为使用的算法动态响应能力不足,无法满足复杂调制情况下的动态闪变测量,而IEC推荐的闪变测量方法只给出了衡量闪变强弱参数的测量原理框图。因此,本文针对IEC标准要求的测量环境和测量信号类型(特别是方波调制信号),提出采用泰勒-傅里叶变换(Taylor-Fourier Transform,TFT)实现电压闪变的快速准确测量。
  本文的主要研究包括两部分:第一部分是研究加窗泰勒-傅里叶变换理论,及包含泰勒-傅里叶变换在内的基于动态相量模型的算法;第二部分是研究将泰勒-傅里叶变换及其改进算法应用于电压闪变测量当中。
  在基于动态相量模型的算法研究方面,本文首先对已有的基于动态相量模型的算法进行了归纳总结与测试分析。其次,因为传统TFT存在计算高频谐波成分相量参数的准确度较低和计算量较大的问题,针对上述两个问题,本文推导了基于sinc插值函数的加权最小二乘算法(sinc interpolation function-based weighted least squares,SWLS)的实数形式与复数形式,并给出了两种形式下求得的动态相量的表达式。此外,本文结合输入信号的加权离散时间傅里叶变换(weighted discrete-time Fourier transform,WDTFT)的求和形式,分析了SWLS计算相量参数的过程。推导的相量参数表达式展示了SWLS与传统的泰勒加权最小二乘方法(Taylor weighted least squares,TWLS)有相似的特性与作用。同时,由于SWLS利用了sinc插值函数中的参数B来调整不同中心频率的滤波器的特性,本文结合WDTFT对参数B进行了分析。接着针对动态相量测量中常用的二阶动态相量模型,本文给出了二阶模型条件下输入信号的WDTFT形式与实数形式SWLS的关系表达式,并对各阶相量参数的计算过程进行了简化。在推导的实数形式SWLS过程表达式的基础上,本文将其中伪逆矩阵元素进行近似来减小SWLS的计算量,提出简化SWLS(S2WLS)。在需要实时计算SWLS中的参考中心频率来提高算法测量动态相量准确度的情况下,利用本文提出的S2WLS可以减少算法计算量。仿真结果表明在输入信号周期数满足要求的情况下,先利用加窗插值离散傅里叶变换(three-points interpolated discrete Fourier transform,Ip-DFT)计算参考中心频率,再利用S2WLS计算动态相量参数的方案满足动态相量测量标准中M类(M-class)测试的要求。
  在泰勒-傅里叶变换与电压闪变测量的结合研究方面,针对时变的电压闪变,本文提出了一种基于泰勒-傅里叶滤波器组(Taylor-Fourier Filter,TFF)的动态电压闪变测量方法。本文首先使用第一个TFF提取电压闪变信号的包络,包络中包含了闪变的主要特征,基于构成包络的各阶泰勒系数,实现了单频调制情况下调制深度和调制频率的估算、调制类型的区分以及包络突变时刻的检测;接着使用第二个TFF实现闪变频率成分时域和频率信息的计算,相比起S变换(ST),TFF有更好的幅值频率变化的跟踪能力和更小的计算量;最后,在得到的包络幅值和频率的基础上,根据IEC给出的相关定义依次计算各个闪变值。本文提出的方法与同样能实现动态电压闪变测量的TEO+ST方法进行了对比,仿真结果表明本文提出的方法具有更高的准确度和更小的计算量。该算法易于仪器实现,为闪变成分时频分析提供了良好选择,实际应用结果验证了该方法的准确性和有效性。
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