臺灣博碩士論文加值系統

隨著科技進步與工業的發達，越來越多的大型負載與非線性負載應用在產業上，這些負載所造成的諧波污染會使得電力系統的電壓或電流波形失真，另外電力系統的能量供需若有不平穩的情況產生時，也會導致系統頻率變動。目前由於數位訊號處理器的快速與準確的運算，因此經常被用在電力的量測，尤其是諧波的測量常藉由著離散傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform, DFT)來計算信號的頻譜，但因DFT所做的計算量過於龐大與複雜，而需要較長的計算時間。另外一種將傅立葉轉換簡化的演算法，稱為快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)具有演算速度快、計算簡單、效率高的優點，故改善了DFT計算速度，所以，FFT是目前最廣泛地被應用於頻率分析的演算法。但由於FFT的使用有些限定，若信號特性與信號取樣不符合FFT相關規定時，則會造成分析結果的誤差。本論文以FFT 為基礎，探討在電力系統中，當系統頻率變化時，諧波分析的影響，並提出ㄧ個當信號頻率變動時能自動調整取樣率，滿足FFT運算上的基本限制條件，以改善可能產生的諧波誤差情形。

In recent years, more and more nonlinear loads are utilized, producing severe harmonic distortions on the system. In addition, if a huge power demand change affects the stability of the power system, the system frequency variation will occur. For harmonic measurement, Discrete Fourier Transform (DFT) is used to calculate the frequency spectrum of the power signal. Due to the heavy calculation load of DFT, this method often takes longer time to complete the process. Therefore, another method called “Fast Fourier Transform (FFT)” with higher computational efficiency has been widely used for the frequency analysis. However, the implementation of FFT has some restriction rules. If the signal process does not meet these rules, its analysis result will be influenced and even produce certain error. This study investigates the FFT-based harmonic measurement under the situation of frequency variation. In addition, we propose a new method of adaptive sample rate to satisfy the FFT restriction rule while sampling. The experimental result demonstrates the feasibility and accuracy of the proposal.

目 錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
謝誌 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix

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 1
1.3 論文架構 2
第二章 諧波與傅立葉轉換 4
2.1 諧波定義 4
2.2 諧波的產生 5
2.3 諧波的影響 7
2.4 諧波的測量 10
2.5 測量諧波的方法 12
2.5.1 視窗法 13
2.5.2 群集諧波法 15
2.5.3 諧波參數評估法 15
2.5.4 整數週期擴充法 16
2.5.5 快速傅立葉轉換 17
2.5.5.1 快速傅立葉轉換的優缺點 18
2.5.5.2 重疊效應 19
2.5.5.3 柵欄效應和洩漏效應 21
2.6 諧波管制標準 23
2.6.1各先進國家諧波標準的比較 27
第三章 軟體與硬體架構 30
3.1 軟體運用 30
3.1.1 LabVIEW軟體設計流程圖 30
3.2 硬體運用 32
3.2.1 資料擷取介面介紹 32
3.2.2 NI PCI-6014介紹 34
3.2.3 虛擬儀器架構 36
第四章 實驗結果與比較 38
4.1 MATLAB模擬結果 39
4.2 虛擬儀器實驗結果 53
第五章 結論 59
參考文獻 60
圖目錄
圖2.1 含有三次和五次諧波的失真波 4
圖2.2 產生諧波來源的歸類 6
圖2.3 常用的視窗 14
圖2.4 取樣信號和連續時間信號在頻域關係 21
圖2.5 重疊現象 21
圖2.6 產生洩漏效應情形與改善 23
圖3.1 LabVIEW 7.0軟體設計之流程 31
圖3.2資料擷取系統組成 33
圖3.3 CB-68LP連接器銷釘之位置圖 33
圖3.4 NI PCI-6014內部方塊圖 34
圖3.5 擷取波形 (a)正弦波；(b)方波 35
圖3.6 虛擬儀器之架構圖 36
圖3.7 LabVIEW程式方塊流程圖 37
圖3.8 Spectrum Measurement函式精靈 37
圖4.1 基頻60Hz下之諧波與頻譜圖 40
圖4.2 基頻變動為56Hz下之諧波與頻譜圖 40
圖4.3 基頻變動為65Hz下之諧波與頻譜圖 41
圖4.4 頻率變動下的問題 (a)完美連續性負半週；(b)頻率變動下不連續負半週；(c)改善後之負半週 42
圖4.5 取樣率調整之設計流程 43
圖4.6 基頻變動為56Hz之諧波與頻譜誤差改善 44
圖4.7 基頻變動為65Hz之諧波與頻譜誤差改善…………………………..44
圖4.8 正弦波之諧波失真圖 (a)正弦波之諧波時域圖；(b)正弦波之諧波頻譜係數大小；(c)正弦波之諧波頻譜圖……………………………………………46
圖4.9 頻率變動之波形 (a)頻率變動之時域圖；(b)頻率變動之頻譜係數大小；(c)頻率變動之頻譜圖…………………………………………………………48
圖4.10 截取一段諧波疊加後之失真波 49
圖4.11(a)-(f) 不同頻率下諧波之頻譜變化情形 51
圖4.12(a)-(c) 改善諧波之頻譜失真問題 52
圖4.13 透過擷取卡產生之方波……………………………………………..54
圖4.14(a)-(f) 在不同頻率下透過擷取卡截取第一次諧波之頻譜變化情形
56
圖4.15(a)-(c) 取樣率調整下透過擷取卡截取第一次諧波改善之頻譜失真問題
57
圖4.16(a)-(c) 取樣點調整下透過擷取卡截取第一次諧波改善之頻譜失真問題
58

表目錄

表2.1 視窗函數式子的定義 14
表2.2 系統諧波標準限制值 24
表2.3 諧波電壓限制值 25
表2.4 用戶責任分界點之諧波電壓失真率 25
表2.5 台電電力系統諧波電流管制暫行標準82年6月4日修訂 26
表2.6 先進國家諧波標準的比較表 29

[1] IEEE Magnetic Fields Task Force, “Measurements of power frequency magnetic fields away from power lines,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 6, no. 2, April 1991, pp. 901-911.
[2] E. A. A. Al-Feilat, I. El-Amin, and M. Bettayeb, “Power system harmonic estimation: a comparative study,” IEEE Power Systems Research, vol. 29, 1994, pp. 91-97.
[3] C. S. Moo, Y. N. Chang, and P. P. Mok, “A digital measurement scheme for time-varying transient harmonics,” IEEE Trans. Power Delivery, vol. 10, no. 2, April 1995, pp. 588-594.
[4] A. A. Girgis and T. L. Hwang, “Optimal estimation of voltage phasors and frequency deviation using linear and non-linear Kalman filtering: theory and limitations,” IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, vol. PAS-103, no. 10, Oct. 1984, pp. 2943-2949.
[5] J. W. Cooley and J. W. Tukey, ”An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series,” Mathematics Computation, vol. 19, April 1965, pp. 297-301.
[6] R. Bracewell, The Fourier transform and its application, New York: McGraw-Hill, 1965.
[7] G-AE Subcommittee on Measurement Concepts, “What is the Fast Fourier Transform?” IEEE Trans. Audio and Electrocutes, vol. AU-15, no.2, June 1967, pp. 45-55.
[8] 黎文明譯， “快速傅立葉變換”，復漢出版社，民國八十年十二月。
[9] http:// energy.tgpf.org.tw/print/42-5.htm - 18k
[10] 杜耿邦， “應用人工智慧於電力系統諧波源與位置偵測”，國立中山大學電機工程學系碩士論文，中華民國九十二年六月。
[11] 林文康，“通信機房電力諧波分析”，私立中原大學電機工程學系碩士論文，中華民國九十三年七月。
[12] G. W. Chang, “Harmonic Theory,” Chapter 2, IEEE Tutorial on Harmonic Modeling, 1988 IEEE PES WM and SM.
[13] 岳吉剛，“諧波對過電流電驛特性的影響分析”，私立中原大學電機工程學系碩士論文，中華民國九十一年七月。
[14] S. Sviab, Jr., John S. Mcqikin, “Harmonics Causes, Effects, Measurement, and Analysis: An Update,” IEEE Trans. On Industry Applications, vol. IA-26, no.6, 1980.
[15] Zastrow, O. W., “Recommended practice for voice frequency electrical noise tests of distribution transformers,” IEEE Trans., COM-21, 1973, pp.1448-1455.
[16] Cumming, P. G. “Estimating effect of system harmonic on losses and temperature rise in squirrel-cage motors,” IEEE Trans. on IA, vol. 22, no. 6, 1986, pp. 1121-1126.
[17] 台鵬，“防護高諧波障害電力電容器之保護對策”，電機月刊，第三卷第八期，第106-108頁。
[18] 周翌生，“電力系統諧波問題之探討”，電機月刊，第六卷第十期，第139-143頁。
[19] 江榮城，“電力品質實務(一)”，全華出版社，民國九十一年十月。
[20] 吳孟奇，“頻率變動與解析度不足下以為基礎之改良式諧波量測演算法”國立中正大學電機工程研究所碩士論文，中華民國九十三年七月。
[21] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, and H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, McGraW-HILL International Editions, 2000.
[22] J. F. Kaiser and R. W. Schafer, “On the use of the Io-sinh window spectrum analysis,” IEEE Trans. Acoustic, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-28, no.1, Feb. 1980, pp.105-107.
[23] A. H. Nuttall, “Some windows with very good sidelobe behavior,” IEEE Trans. Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-29, no.1, Feb. 1981, pp.84-91.
[24] 曾建誠、王鵬華、丁建均、陳常侃編譯，“離散時間訊號處理”，全華出版社，民國九十三年十二月。
[25] 宗孔德、胡廣書編著，“數位信號處理”，儒林圖書有限公司，民國八十五年六月出版。
[26] 張永農，“電力暫態諧波研究”，國立中山大學電機工程學系博士論文，中華民國八十四年六月。
[27] 吳榮慶，“頻譜分析技術的改良及在電機監視的應用” ，國立中山大學電機工程學系博士論文，中華民國九十年五月十六日。
[28] S. L. Lu, C. E. Lin, and C. L. Huang, “Power frequency harmonic measurement using integer periodic extension method,” Electric Power Systems Research, vol. 44, 1998, pp. 107-115.
[29] IEEE Power System Harmonic Working Group Report, “Bibliography of power system harmonics, part I,” IEEE Trans. Power Apparatus and Systems, vol. PAS-103, no.9, Sept. 1984, pp.2460-2469.
[30] A. V. Oppenheim and R. W. Schafer, Discrete-time signal processing, New Jersey: Prentice-Hall, 1989.
[31] 李天龍，“以FFT為架構建立之諧波參數建立方法”，國立中山大學電機工程學系研究所碩士論文，中華民國八十八年第二學期。
[32] E. O. Brigham, The Fast Fourier Transform, New Jersey: Prentice-Hall, 1974.
[33] A. A. Girgis and F. M. Ham, “A quantitative study of pitfalls in the FFT,” IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. AES-16, no.4, July 1980, pp.434-439.
[34] http://cslin.auto.fcu.edu.tw/scteach/lego/ppp.html
[35] http://www.quatek.com.tw/service/application/IOT/iot_handbook/
iotech-hand.html
[36] 施怡菁、王朝興、楊錫隆，“FFT應用於電力頻率分析之探討”，2005年第四屆台灣電力電子研討暨展覽會論文集，第1346-1351頁。
[37] “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems,” IEEE Standard 519-1992, IEEE, New York, 1993.
[38] 台灣電力公司，“諧波管制標準之研擬”，台電工程月刊，1992。
[39] 江榮城、陳士麟、顏世雄，“諧波管制標準之研提”，台灣工程月刊，第526期，民國八十一年六月，第36-42頁。
[40] 李錦昌、鄧人豪、詹舜宇，“以個人電腦基礎之虛擬電力分析儀”，第二十一屆電力工程研討會，2000，pp. 1334-1338。
[41] 周靜娟、吳明瑞、顏培仁編著，“圖控程式與自動量測使用LabVIEW 7.X”，全華出版社，民國九十三年九月。
[42] 惠汝生編著，“LabVIEW 7.1 Express圖控程式應用…含自動量測及硬體
應用”，全華出版社，民國九十三年十月。
[43] National Instruments網址：http://ni.com
[44] National Instruments, ”LabVIEW User Manual,” 2003.
[45] LabVIEW軟體網址：http://ni.com/taiwan/labview
[46] National Instruments, ”NI 6013/6014 User Manual,” 2002.
[47] National Instruments, The Measurement and Automation, Catalog 2004.
[48] 資料擷取硬體網址：http://ni.com/taiwan/daq
[49] 資料擷取軟體網址：http://ni.com/taiwan/daq/software
[50] 蒙以正著，“數位信號處理應用MATLAB”，旗標出版股份有限公司，民國九十三年九月。
[51] 羅華強編著，“訊號處理—MATLAB的應用”，全華出版社，民國九十四年二月。