臺灣博碩士論文加值系統

摘 要

隨著電力系統中非線性負載使用量的逐漸增加，使得諧波對於電力品質的污染日趨嚴重；此外，電力系統間的能量供需若有不平衡的狀況發生時，亦會導致系統頻率變動，這些擾動皆可能造成設備損害與事故的發生。因此，如何提昇電力品質已逐漸成為電力公司與用戶間所關心的議題。
由於頻域分析方法計算速度快，方法簡易，因此應用上最為廣泛，大多數的量測儀器多以快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform， FFT)作為基礎。但是，若信號特性不符合FFT的使用限制，在頻率變動以及頻率解析度不足情況下，分析結果將受到洩漏效應與欄柵效應影響而產生誤差。所以，如何達到信號計算效能佳以及高準確度的需求，值得深入探討與研究。
綜合上述理由，本文提出改良式普羅尼演算法，不但具有計算速度快的優點，同時亦可提高分析結果的準確度及鑑別度，以處理信號含有頻率變動或非整倍數諧波的問題。最後，利用LabVIEW軟體，並配合相關硬體設備，建構電力品質量測系統雛形，經由模擬信號與實際量測分析來加以驗證本文方法之有效性與實用性。

關鍵字:諧波,系統頻率變動,快速傅立葉轉換,普羅尼法,LabVIEW

ABSTRACT
With the widespread use of nonlinear loads in the power system, harmonic distortion causes a serious pollution of power quality. Besides, the power unbalance between the generation and the load demand would make the fundamental frequency varying with time. These disturbances may introduce operational problems of power system equipments. Therefore, improving the power quality has become a great concern for both utilities and customers.
The frequency-domain methods have been widely used for the signal processing because of its computational efficiency. In addition, most power meters adopt FFT-based algorithm to analyze the harmonics and to show the frequency spectra. However, the FFT-based algorithm is less accurate if the system frequency varies and the frequency resolution decreases. The analysis results will show errors caused by the leakage and picket-fence effects. Therefore, how to achieve both the high resolution and efficiency is worth investigating.
According to aforementioned facts, this thesis proposes a Prony-based improved algorithm for harmonics and interharmonics measurement. Not only the calculation time is reduced, but also the result is with a better accuracy, even if the power signals contain frequency variations and non-integer harmonic components. Finally, the thesis applies LabVIEW and the dedicated hardware to design a simple setup for measuring power quality signals. The performance of improved algorithm is validated by testing the synthesized and actual signals.

Key Words: Harmonics, System Frequency Variation, Fast Fourier Transform, Prony's Method, LabVIEW

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI

第一章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的及方法 2
1-3 研究貢獻 3
1-4 論文架構 4

第二章 頻率變動與諧波 6
2-1 頻率變動 6
2-1-1頻率變動現象 6
2-1-2 頻率變動管制標準 6
2-2 諧波概要 7
2-2-1 諧波定義 7
2-2-2 諧波來源 9
2-2-3 諧波影響 11
2-2-4 諧波管制標準 13

第三章 諧波分析演算法之回顧 17
3-1 前言 17
3.2 快速傅立葉轉換法 18
3-3 視窗法 21
3-4 群集諧波法 23
3-5 傳統之普羅尼法 25
3-6 本章結論 28

第四章 改良式普羅尼演算法應用與分析 30
4-1 前言 30
4-2 運算複雜度的改善策略 30
4-3 改良式普羅尼諧波量測演算法之架構 33
4-3-1 符合IEC Std. 61000-4-7的同步檢測器設計 33
4-3-2 改良式演算法的實現 34
4-3-3 運算效能評估 37

第五章 模擬與實測分析 39
5-1 模擬分析 39
5-1-1諧波之穩態訊號分析 39
5-1-2 具有頻率變動之諧波訊號分析 45
5-1-3 時變諧波訊號分析 50
5-1-4 時變諧波/間諧波訊號分析 56
5-1-5 間諧波干擾下時變諧波訊號分析 61
5-2 實測分析 68
5-2-1 量測系統架構 68
5-2-1-1 軟體介紹 68
5-2-1-2 硬體介紹 70
5-2-2 測試結果 75
5-3 本章結論 83
第六章 結論與未來研究方向 84
6-1 結論 84
6-2 未來研究方向 85

參考文獻 86
圖目錄

圖2.1 含有3次與5次諧波的失真波形 8
圖2.2 汙染電力品質負載歸類 11
圖3.1 含有3、5、7次諧波成分，基頻為59.8 Hz之信號 22
圖3.2 FFT與視窗法在洩漏效應下之頻譜分析結果 23
圖4.1 IEC Std. 61000-4-7規範所建議的同步機制流程圖 34
圖4.2 結合濾波器組之高效率普羅尼運算架構 36
圖4.3 改良式普羅尼法之求解流程圖 36
圖4.4 分析訊號於改良式架構下之分割方式 38
圖5.1(a) Case 1分析訊號的波形 40
圖5.1(b) 穩態下之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號 41
圖5.1(c) 穩態下之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號頻譜(於0.3秒時) 41
圖5.1(d) 穩態下之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 42
圖5.1(e) 穩態下之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 42
圖5.1(f) 穩態下之傳統普羅尼諧波訊號分析 43
圖5.1(g) 穩態下之傳統普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 43
圖5.1(h) 穩態下之改良式普羅尼諧波訊號分析 44
圖5.1(i) 穩態下之改良式普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 44

圖5.2(a) Case 2分析訊號的波形 46
圖5.2(b) 頻率變動下之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 46
圖5.2(c) 頻率變動下之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3
秒時) 47
圖5.2(d) 頻率變動下之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 47
圖5.2(e) 頻率變動下之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒
時) 48
圖5.2(f) 頻率變動下之傳統普羅尼諧波訊號分析 48
圖5.2(g) 頻率變動下之傳統普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 49
圖5.2(h) 頻率變動下之改良式普羅尼諧波訊號分析 49
圖5.2(i) 頻率變動下之改良式普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時)
50
圖5.3(a) Case 3分析訊號的波形 51
圖5.3(b) 時變訊號下非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 52
圖5.3(c) 時變訊號下非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒
時) 52
圖5.3(d) 時變訊號下同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 53
圖5.3(e) 時變訊號下同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 53
圖5.3(f) 時變訊號下之傳統普羅尼諧波訊號分析 54
圖5.3(g) 時變訊號下之傳統普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 54
圖5.3(h) 時變訊號下之改良式普羅尼諧波訊號分析 55
圖5.3(i) 時變訊號下之改良式普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 55
圖5.4(a) Case 4分析訊號的波形 57
圖5.4(b) 時變諧波/間諧波下非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 57
圖5.4(c) 時變諧波/間諧波下非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 58
圖5.4(d) 時變諧波/間諧波下同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 58
圖5.4(e) 時變諧波/間諧波下同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時) 59
圖5.4(f) 時變諧波/間諧波下之傳統普羅尼諧波訊號分析 59
圖5.4(g) 時變諧波/間諧波下之傳統普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3秒時)
60
圖5.4(h) 時變諧波/間諧波下之改良式普羅尼諧波訊號分析 60
圖5.4(i) 時變諧波/間諧波下之改良式普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3時)
61
圖5.5(a) Case 5分析訊號的波形 63
圖5.5(b) 間諧波干擾下時變諧波之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分 析 63
圖5.5(c) 間諧波干擾下時變諧波之非同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分
析頻譜(於0.3時) 64
圖5.5(d) 間諧波干擾下時變諧波之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析 64
圖5.5(e) 間諧波干擾下時變諧波之同步的快速傅立葉轉換諧波訊號分析頻譜(於0.3時) 65
圖5.5(f) 間諧波干擾下時變諧波之傳統普羅尼諧波訊號分析 65
圖5.5(g) 間諧波干擾下時變諧波之傳統普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3時) 66
圖5.5(h) 間諧波干擾下時變諧波之改良式普羅尼諧波訊號分析 66
圖5.5(i) 間諧波干擾下時變諧波之改良式普羅尼諧波訊號分析頻譜(於0.3
時) 67
圖5.6 LabVIEW程式說明 70
圖5.7 量測系統架構圖 73
圖5.8 電流鉤錶FLUKE-80I-110S 74
圖5.9 HP 33120A實體圖 74
圖5.10 日光燈下之電壓訊號的波形 76
圖5.11 日光燈下改良式普羅尼之電壓諧波訊號分析 76
圖5.12 日光燈下改良式普羅尼之電壓頻譜分析 77
圖5.13 日光燈下之電流訊號的波形 77
圖5.14 日光燈下改良式普羅尼之電流諧波訊號分析 78
圖5.15 日光燈下改良式普羅尼之電流頻譜分析 78
圖5.16 電弧爐下之電壓訊號的波形 79
圖5.17 電弧爐下改良式普羅尼之電壓諧波訊號分析 80
圖5.18 電弧爐下改良式普羅尼之電壓頻譜分析 80
圖5.19 電弧爐下之電流訊號的波形 81
圖5.20 電弧爐下改良式普羅尼之電流諧波訊號分析 81
圖5.21 電弧爐下改良式普羅尼之電流頻譜分析 82
表目錄
表2.1 頻率變動管制標準 7
表2.2 配電系統諧波電流限制值(適用120 V-69 kV)14
表2.3 諧波電壓管制標準 14
表2.4 台灣電力系統諧波管制標準(適用3.3-22.8 kV) 15
表2.5 間諧波電壓管制標準(基頻為60 Hz) 16
表5.1 HP 33120A詳細規格列表 74

參考文獻

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