基于FPGA的電力諧波檢測設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

如圖4所示，系統(tǒng)硬件由兩大部分組成，分別是虛線框內(nèi)的采樣電路部分和開發(fā)板部分[6-7]。本文采用的Spartan-3A DSP 入門級開發(fā)板是Xilinx公司出品的基于Spartan-3A DSP FPGA設(shè)計的一個開發(fā)平臺。采樣電路實現(xiàn)對三相電壓、電流的整周期同步采樣，其設(shè)計尺寸與Spartan-3A DSP開發(fā)板相同，通過EXP接口實現(xiàn)與開發(fā)板的通信。它包括：電壓、電流互感器、調(diào)理電路、低通濾波電路、鎖相倍頻電路、AD轉(zhuǎn)換器及電平轉(zhuǎn)換電路。

3 硬件聯(lián)合仿真與結(jié)果分析

3.1 硬件聯(lián)合仿真

由于實驗條件所限，本文采用的是單相220V的市電為檢測對象。接入額定電壓220V，標(biāo)稱功率800W的電加熱器為負(fù)載。首先用FLUKE434型電能 質(zhì)量分析儀檢測出該負(fù)載上的電壓、電流的各次諧波參數(shù)，如表1所列，其電壓總諧波畸變率THDV=4.9%，電流總諧波畸變率THDI=4.8%。

經(jīng)采樣后得到的數(shù)字信號量在0～5V之間，依照給定參數(shù)分別乘系數(shù)J、K，利用Simulink中模塊生成一組表征電壓、電流的數(shù)字信號作為系統(tǒng)的輸入信號。如圖5所示。

將FFT模塊中的采樣點數(shù)分別設(shè)置成為128、256、512、1024，并設(shè)置相應(yīng)的采樣頻率，然后運行硬件聯(lián)合仿真模型;將計算結(jié)果再乘系數(shù)1/J、1/K，得到表2~表5所示結(jié)果。

3.2 仿真結(jié)果分析

由各表中可以看出，計算出的幅值以及根據(jù)幅值計算所得總諧波畸變率的誤差都比較小。隨著采樣點數(shù)的增加，計算所得基波和較低次數(shù)的諧波幅值的誤差和總諧波 畸變率的誤差并沒有明顯減小，而次數(shù)較高的諧波誤差減小較明顯。究其原因，N點FFT計算可以分解出0～N/2-1次諧波，N=128時就可以分解出63 次以內(nèi)的諧波了。而對于次數(shù)較高的諧波，采樣點數(shù)的增加對其幅值誤差的改善還是比較明顯的。硬件實現(xiàn)時，在計算精度滿足要求的情況下，考慮到實時性的要 求，可選用256點FFT進(jìn)行計算。

此外，計算所得相位出現(xiàn)了很大的偏差;原本設(shè)想通過改變待測信號參數(shù)，分析仿真結(jié)果來推導(dǎo)出相位偏差的規(guī)律，但是隨著數(shù)值的改變，相位偏差規(guī)律并不 明顯，并未達(dá)到預(yù)期目的。然而，在改變信號參數(shù)的分析過程中發(fā)現(xiàn)，相位的改變對諧波幅值和總諧波畸變率的計算并沒有太大影響，計算精度基本滿足要求。因 此，實際硬件實現(xiàn)時，舍棄掉相位計算，只計算出各次諧波的幅值及總諧波畸變率。

4 結(jié)束語

本文提出了一種采用基于Xilinx FPGA 實現(xiàn)FFT算法的電壓、電流諧波檢測的模塊化的設(shè)計方法。使用System Generator設(shè)計了諧波檢測的模型及前端采樣電路，并以Spartan-3A DSP開發(fā)板為平臺進(jìn)行了硬件聯(lián)合仿真驗證。