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标题: 基于FPGA的电力谐波检测设计方案简述（2） [打印本页]

作者: yuyang911220 时间: 2015-8-30 22:34 标题: 基于FPGA的电力谐波检测设计方案简述（2）

如图4所示，系统硬件由两大部分组成，分别是虚线框内的采样电路部分和开发板部分[6-7]。本文采用的Spartan-3A DSP 入门级开发板是Xilinx公司出品的基于Spartan-3A DSP FPGA设计的一个开发平台。采样电路实现对三相电压、电流的整周期同步采样，其设计尺寸与Spartan-3A DSP开发板相同，通过EXP接口实现与开发板的通信。它包括：电压、电流互感器、调理电路、低通滤波电路、锁相倍频电路、AD转换器及电平转换电路。　　3 硬件联合仿真与结果分析
　　3.1 硬件联合仿真
　　由于实验条件所限，本文采用的是单相220V的市电为检测对象。接入额定电压220V，标称功率800W的电加热器为负载。首先用FLUKE434型电能质量分析仪检测出该负载上的电压、电流的各次谐波参数，如表1所列，其电压总谐波畸变率THDV=4.9%，电流总谐波畸变率THDI=4.8%。
　　经采样后得到的数字信号量在0～5V之间，依照给定参数分别乘系数J、K，利用Simulink中模块生成一组表征电压、电流的数字信号作为系统的输入信号。如图5所示。

　　将FFT模块中的采样点数分别设置成为128、256、512、1024，并设置相应的采样频率，然后运行硬件联合仿真模型;将计算结果再乘系数1/J、1/K，得到表2~表5所示结果。

　　3.2 仿真结果分析
　　由各表中可以看出，计算出的幅值以及根据幅值计算所得总谐波畸变率的误差都比较小。随着采样点数的增加，计算所得基波和较低次数的谐波幅值的误差和总谐波畸变率的误差并没有明显减小，而次数较高的谐波误差减小较明显。究其原因，N点FFT计算可以分解出0～N/2-1次谐波，N=128时就可以分解出63 次以内的谐波了。而对于次数较高的谐波，采样点数的增加对其幅值误差的改善还是比较明显的。硬件实现时，在计算精度满足要求的情况下，考虑到实时性的要求，可选用256点FFT进行计算。
　　此外，计算所得相位出现了很大的偏差;原本设想通过改变待测信号参数，分析仿真结果来推导出相位偏差的规律，但是随着数值的改变，相位偏差规律并不明显，并未达到预期目的。然而，在改变信号参数的分析过程中发现，相位的改变对谐波幅值和总谐波畸变率的计算并没有太大影响，计算精度基本满足要求。因此，实际硬件实现时，舍弃掉相位计算，只计算出各次谐波的幅值及总谐波畸变率。
　　4 结束语
　　本文提出了一种采用基于Xilinx FPGA 实现FFT算法的电压、电流谐波检测的模块化的设计方法。使用System Generator设计了谐波检测的模型及前端采样电路，并以Spartan-3A DSP开发板为平台进行了硬件联合仿真验证。

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