谐波检测算法发展现状

赵剑锋

【摘要】随着谐波问题的日益严重，如何提取检测谐波信号变得越来越重要。傅里叶分析方法作为经典的信号分析方法具有正交、完备等许多优点，是刻画函数空间和进行数值计算的主要方法和有效的数学工具，因而其在谐波信号检测中也得到了广泛的应用，是目前应用最为广泛的谐波信号检测方法之一。

【关键词】谐波治理；DSP芯片；谐波检测；傅里叶算法

一、课题研究的目的、意义

电能是现代社会的主要能源，在各行各业中有着最广泛的应用，是人类现代文明的重要物质基础之一，同时电能质量的优劣关系到国民经济总体效益。理想的供电系统中，电能总是以单一恒定频率和稳定的电压由电源流向负载；在电能传递和转换过程中，电源电压波形始终保持为正弦波，对其它负荷不产生任何干扰。

但是随着电力电子技术的飞速发展，工作在非线性条件下的各种功率器件得到广泛应用，诸如空调、冰箱、电梯等等，这些电力电子装置在提高人们生活质量的同时，向电网中注入了大量的谐波电流，使谐波问题变得非常突出，形成所谓电力公害。电力谐波严重危害电能的供给和使用，它一方面使供电系统的供电效率下降并且威胁电力系统自身的安全运行；另一方面影响电力系统的供电质量，使电力用户的电能使用受到限制甚至烧毁用电设备。保护人类赖以生存的电力环境，治理电力谐波污染，将电力系统的谐波水平控制在允许的限值之内，为越来越多的人们所认同，已经成为全人类的共识。

谐波治理的首要环节是谐波信号的检测问题，只有先准确地检测出电网中的谐波信号，才能对其进行抑制、补偿。所以随着谐波污染的日益严重，研究谐波信号的检测方法是有非常重大的现实意义的。

现有的谐波检测方法很多，对其编程、计算机实现的研究也很多，但是效果都不令人满意。现有的算法及编程研究都存在以下几个缺点：

（1）算法很复杂，实现困难；

（2）算法实现所编程序繁琐复杂，效率不高；

（3）程序在计算机中执行的延时太大；

（4）程序通过计算机实现时带来的误差太大.

由于以上所提出的缺点等，使谐波检测的精度大大下降，从而影响了谐波补偿的效果。所以如何通过有效地编程准确、实时地实现谐波检测算法变得非常重要。

目前，DSP芯片已经广泛应用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表和家电等领域；DSP为数字信号处理提供了高效而可靠的硬件基础。其中TMS320系列应用最为广泛，是专为实时信号处理而设计的，该系列DSP特性如下：

（1）灵活的指令集

（2）内部操作灵活性

（3）高速的运算能力

（4）改进的并行结构

（5）有效的成本

但是DSP编程时，一般都采用汇编语言，汇编语言虽然执行时速度很快，但是汇编语言很生涩，不灵活，给一些算法的实现带来困难，甚至需要用很多句程式来实现一个公式；而一直广泛采用的C语言比较成熟、灵活，给人们编程的自由空间很大，用C语言编写DSP程序不仅使DSP开发的速度大大加快，而且开发出来的DSP程序的可读性和可移植性也大大增加，程序修改也极为方便。在DSP芯片的运算能力不是十分紧张时是非常合适的。但是在某些情况下，C代码的效率还是无法与手工编写的汇编代码的效率相比。这是因为，即使是最佳的C编译器，也无法在所有的情况下都能够最佳地利用DSP芯片所提供的各种资源，如TMS320C3X所提供的环形寻址等。用C语言编写的中断程序虽然可读性好，但由于在进入中断程序后，有时不管程序是否用到，中断程序都将寄存器进行保护，从而大大降低中断程序的效率。如果中断程序频繁被调用，那么即使是一条指令也是至关重要的。此外，用C语言实现DSP芯片的某些硬件控制也不如汇编语言程序方便。有些甚至无法用C语言实现。因此，如果把汇编语言和C语言联合起来进行混合编程，不但可以简单的实现算法，还可以很好地节省计算时间，不影响程序实现的实时性，同时可以达到最佳利用DSP芯片软硬件资源的目的。

基于以上所述，本文研究准确、实时、方便的谐波检测方法及其计算机编程实现是具有非常重大的现实意义的。

二、谐波检测算法的研究现状和进展

谐波问题一经提出，立即得到了各国学者的广泛关注，各种谐波检测方法相继被提出。常规的谐波检测方法有：模拟带通或带阻滤波器，基于傅里叶变换的谐波检测方法、基于瞬时无功功率的谐波检测方法等。在全数字化的现代社会，人们普遍采用数字方法实现谐波检测。采用傅里叶变换进行谐波分量检测的方法是比较常用的方法。随着数字信号处理（DSP）芯片运算速度的极大提高，用Fourier分析检测谐波所引起的延时也越来越小，实时性有了很大提高。但是传统的傅里叶分析方法在计算傅里叶系数时，是在固定时间坐标系中进行的，总是以一个时间零点为基准，在整个时间轴上进行计算，DSP进行离散化算法时，所用的内部产生的正弦基也是以同一个时间零点为基准。这样，因为DSP微处理器内部时钟产生的正弦信号周期不能与实际电网周期完全相等，因此在多个电周期后，会有较大的积累误差和非同步采样误差，这严重地影响了谐波检测的准确性。

基于上述缺点，很多改进的傅里叶分析方法相继被提出，但是这些算法都很复杂，不利于在计算机中编程实现，有些即使通过编程实现了，也会带来很大的延时和误差，使检测的准确性很差，所以如何有效的改进傅里叶算法，并且如何对改进后的算法进行高效的编程以利于计算机实时实现变得非常重要。

综上所述，为了检测时变的谐波，前人做了很多有益的研究，也已经提出了很多种较好的谐波检测方法，但是每一种方法都还有其不可避免的缺点，在选择谐波电流的实时检测方法时，应保证：精度高、具有瞬时性、算法简单、配合使用的硬件简单、实现方便、具有多种功能等。因此，如何设计一种高精度、实时性好且适用范围宽的谐波检测方法是具有很大意义的。

参考文献：

[1]王兆安，杨君，刘进军主编.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，1998

[2]沈美明，温东婵主编.IBMPC 汇编语言程序设计[M].清华大学出版社，2002：66102

[3]谭浩强主编.C程序设计[M].清华大学出版社，2002