[发明专利]用于实时谐波频谱分析仪的装置和方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年4月29日提交的美国专利申请No.13/098,305的优先权，并且涉及也于2011年4月29日提交的共同待决的申请美国专利申请No.13/097,796“SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING A FUNDAMENTAL FREQUENCY OF AN ELECTRIC POWER SYSTEM”。

技术领域

本发明大体涉及一种用于测量电功率系统中的功率的装置和方法。特别地，本发明涉及一种使用频率检测器和双通道数控振荡器来测量在基本频率或在谐波频率下的功率的装置和方法。

背景技术

电力通常以在某一基本频率(例如，在美国60Hz)下的交流电(AC)的形式从电力供应商输送至消费者。例如三相AC的电力的消耗通常由功率计测量。当功率供应系统的负载包括非线性分量时，在功率供应线上可能产生除基本频率以外的谐波频率。另外，当负载不是纯电阻性的时，电压V的波形在时域上可能超前或滞后于电流I的波形或在频域上具有相位偏移。

在各频率下的电功率可以包括三个分量：视在功率(P_app)、有功功率(P_act)和无功功率(P_react)。对于特定的角频率w的视在功率P_app(w)可以被定义为电压V(w)和电流I(w)的大小的乘积，即P(w)=V(w)*I(w)。有功功率P_act(w)可以被定义为在特定时间的负载能力或从功率源流入到负载的能量。无功功率P_reactive(w)可以被定义为从负载反弹到电源的能量。如果电流与电压之间的相位偏移是Φ，则P_act(w)=P_app(w)*|Cos(Φ)|并且P_react(w)=P_app(w)*|Sin(Φ)|。

当非线性负载例如开关式电源的数量增加时，在电功率系统中可能存在更大量的谐波含量。这些谐波可以限制用以将来自电源的电功率输送至负载的电力系统的有效性。低价的数字信号处理(DSP)和高性能模数转换转换器(ADC)的组合为电功率供应商提供用于改进和最佳化电功率计的新选项。业主供应商可能不仅希望知道在基本频率下输送了多少电功率而且还希望知道在谐波频率下输送了多少电功率。另外，能量的供应商可能希望知道关于谐波的存在性，因为这些谐波具有损害一些输送设备(例如，电线和变压器)的可能性。

用于计算在基本频率或谐波频率下的功率的当前技术主要基于锁相环(PLL)和带通滤波器。其它方法可以使用FFT变换。这些方法和装置经历持续很久的计算时间。特别地，谐波的级别主要是未知的，并且当尝试锁住越来越靠近采样频率的信号时，PLL性能下降。考虑到用于测量功率消耗的当前技术，存在对近乎实时地计算同时在基本频率下或在多个谐波频率下的功率的需要。

附图说明

图1示出根据本发明的示例性实施例的用于测量功率的系统的部件级图。

图2示出根据本发明的示例性实施例的用于测量在谐波频率下的功率的系统的部件级图。

图3示出根据本发明的一个示例性实施例的计算在基本频率下或在谐波频率下的功率的示例过程。

图4示出根据本发明的一个示例性实施例的基于实测基本和/或谐波功率执行进一步计算的系统的部件级图。

具体实施方式

本发明实施例可以提供用于测量关于选定频率的交流电(AC)的功率的装置和方法。在一个实施例中，测量装置可以包括两台振荡器。第一振荡器可以在频率检测器中产生本地参考信号以检测AC的基本频率。第二振荡器可以产生具有选定频率的两个大致相互正交的正弦曲线信号。该测量装置进一步可以包括：将两个正弦曲线信号分别与交流电的电流和电压数据信号混合的第一组乘法器、用于从乘积除去高频分量的一组低通滤波器、用于分别混合被滤波的乘积的第二组乘法器以及各自将第二组乘法器的一对乘积加起来的多个加法器。

另一个实施例可以提供用于测量关于选定频率的交流电(AC)的功率的方法。该方法可以包括：通过检测本地产生的参考信号与AC的输入数据信号之间的相位差来检测AC电流的基本频率；基于检测到的基本频率，产生第一和第二大致相互正交的正弦曲线信号；将一对第一和第二正弦曲线信号分别乘以AC电流的电流信号和电压信号；分别对乘积进行滤波；以及使用被滤波的乘积来计算AC电流的功率。