關鍵詞：動車組，電能質量，FFT變換

Power Quality Detection and Analysis of EMU Based on FFT Transformation

Wang Kai, Liang Jingxin, Zhao Mingdong, Wang Hengyu

(CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, Shandong)

Abstract: During the operation of EMU, in order to ensure the stability of power supply, its power quality needs to be tested. This paper introduces the relevant principles of EMU, analyzes the power quality problem with FFT transform as the theoretical core, decomposes the signal and obtains its spectrum. The results show that FFT transform can well detect the power quality problems such as harmonics in power, which is of great significance to the stable operation of EMU.

Key words: EMU; Power quality; FFT transformation

1  引言

電能質量問題的提出由來已久。電能質量檢測與分析一般基于傅里葉變換、S變換、小波變換等理論。然而，S變換的窗口函數不能是根函數。根據具體工程實際需要進行調整，缺乏通用性，計算量大。小波變換中小波基的選取比較復雜^[1-2]。相比之下，傅里葉變換處理過程相對簡單，而且也能很好地刻畫信號的頻率特性，短時傅里葉變換與快速傅里葉變換使得其處理問題更加廣泛。因此目前很多工程問題仍使用傅里葉變換進行解決，本文基于快速傅里葉變換對動車組電能質量進行檢測分析^[3-5]。

2  原理分析

傅里葉展開指的是用不同角頻率的三角函數疊加來表示一個任意函數，這個函數具有周期性，但凡周期函數都可展開，平時我們所畫波形，無論是正弦波，三角波，還是其他不規則波形，都是以時間為橫坐標軸，而傅里葉展開波形則不同，它是從時間軸看過去的，所以展開波形每一個頻率對應一條豎線。而我們主要運用三角形式的傅里葉展開，一般展開式如下：

3  仿真分析

動車組進行供電時，電壓、頻率都需要滿足一定的要求。網側電壓給受電弓時，需要進行電力變換才能應用，這里我們利用理想的信號進行FFT分析，模擬各種電能質量問題，信號幅值220V，頻率50Hz，仿真時間1s，50個周期，在0.3s時出現擾動，在0.7s時恢復，這一點也符合電壓中斷、驟升、驟降持續時間多于半個周期，少于一分鐘的特點。

3.1  電壓中斷、驟降、驟升的仿真分析

對于電壓中斷，電壓驟升，電壓驟降電能質量問題，采用理想信號進行檢測分析。首先是電壓中斷的檢測，電壓中斷值電壓突然降低到額定電壓的10%以下，圖2為電壓中斷信號以及它的頻譜圖，從得到的頻譜圖中可以明顯看出幅值是降低的，由于在0.3s-0.7s發生電壓中斷，信號整體能量會降低，幅值明顯低于220V。

電壓驟降指電壓突然降低到額定值得10%-90%，它與電壓中斷有相似之處，只不過發生電壓驟降時，電壓降低的幅度比電壓中斷小，但在動車組運行過程中，電壓驟降發生頻率比電壓中斷高，因此對其進行檢測有很大的必要性。圖3為電壓驟降信號以及它的頻譜圖，對比圖2中的頻譜，可以看出電壓驟降的幅值明顯比電壓中斷小，信號頻率都是50Hz。

電壓驟升是電壓突然增大到額定值得110%以上，同樣的通過圖4中的頻譜圖可以看出幅值增大，表明發生了電壓驟升，此時信號頻率也是50Hz。

電壓中斷、驟降、驟升都有一個共同點，那就是電壓突然改變，這類電能質量問題特征明顯，檢測起來相對容易。然而，還有一些電能質量問題較為復雜，比如電壓諧波，由于電力電子器件的應用，諧波成了亟待解決的問題，因此對其進行檢測有一定的必要性。

3.2  電壓諧波的仿真分析

電壓諧波仿真也是采用220V，50Hz的正弦波，0.3-0.7s加入諧波，進行傅里葉分析，從頻譜圖5上可以明顯看出3、5、7、9次諧波，且高次諧波的幅值逐漸降低。

4  結論與展望

動車組受電弓電網供電存在電壓中斷、驟升、驟降、諧波、閃變等問題，本文采用FFT變換對其電能質量分析方法，不僅能夠分析出電壓中斷、驟升、驟降等電能質量問題，也適應于電壓諧波的檢測，這對于動車組穩定供電有一定的參考意義。

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