基于小波变换与傅立叶分析的谐波检测方法研究

在电力系统分析中，谐波检测是一个重要的领域，它对于保证电网稳定运行、提高电能质量、减少系统损耗等方面具有重大意义。传统的电力系统谐波检测主要基于快速傅立叶变换（FFT）及其改进算法，尽管FFT能够精确地确定出平稳波形中各次谐波的幅值和相位，但它不提供时间局部信息，因此仅适用于稳态信号的分析处理。对于包含非稳态成分的信号，FFT则显得力不从心，无法给出有效的非稳态谐波信息。为了克服这一缺陷，近年来，小波变换以其在时域和频域同时具有良好的局部化特性，逐渐成为电力系统谐波检测领域的新宠。 小波变换是一种有效的时频分析工具，它能够在局部区域内对信号进行多分辨率分析。相较于傅立叶变换，小波变换能够提供时间局部信息，特别适合分析电力系统中的瞬态信号。小波变换的一个重要应用是在电力系统谐波测量中的应用。通过对含有谐波的信号进行正交小波分解，可以将不同尺度的结果看作是不含谐波的基波分量，从而实时跟踪谐波变化。特别是随着Mallat算法和高速数字处理芯片的应用，小波变换用于谐波检测的动态性能得到了极大提高，满足了电力有源滤波器对谐波实时检测的要求。 小波包变换是小波变换的延伸，它在小波变换的基础上对高频段的信号进行更精细的划分，使得高频段也能获得和低频段一样的频率分辨率。小波包变换在时变谐波分析中的应用证明了其对时变谐波的检测具有较高的精确性，同时也展现了小波包在时频域内优秀的分析性能。小波包变换可以配合连续小波变换使用，能同时检测并识别包括整数次、非整数次和分数次谐波在内的各种谐波。 复小波分析和自适应小波分析是小波变换领域的其他延伸，它们也逐渐应用于谐波检测当中。例如，文献[8]首次提出了将小波多分辨率分析与傅立叶变换结合进行谐波检测的算法。该算法首先利用小波变换将原始信号中的稳态成分和非稳态成分分离，然后用傅立叶变换分析稳态信号，得到稳态谐波的幅值和相位。但是，该方法并未对小波变换后的非稳态谐波信号进行进一步处理，在非稳态信号成分复杂时无法提供有效的非稳态谐波信息。针对这样的问题，本文将小波熵的概念引入到谐波检测中。 本文提出了一种改进的谐波检测算法，即通过结合傅立叶变换和小波变换的优点，将两者联合起来使用，以此达到对所有类型谐波信号都能有较好检测效果的目的。这种联合方法能够准确检测出稳态和非稳态谐波的相关参数，并通过仿真及实验证明了算法的正确性。此外，小波变换和傅立叶变换联合使用的方法，也得到了国家自然科学基金的资助。 傅立叶变换作为谐波分析的基础理论，是从频域角度观察信号的数学工具，其基本原理是任意函数都可以分解为无穷多个不同频率的正弦波之和。而小波变换则是一种窗口大小固定但形状可变的时频局部化分析方法，它允许在不同尺度上同时观察信号的时域和频域特征，特别适合分析电力系统中的瞬态信号。通过小波变换，可以准确确定信号突变的时刻，滤除干扰信号，从而更好地分析谐波信息。 在电力系统谐波分析的实际应用中，小波变换已经显示出了其独特的优势。它不仅可以用于电力系统谐波检测，还在信号去噪、故障诊断、信号压缩、图像处理等多个领域得到了广泛应用。未来，随着更多相关技术的研究和发展，相信小波变换在谐波检测及电力系统其他方面的应用会越来越广泛，成为不可或缺的技术工具。