基于FPGA的電力諧波檢測設計

2 系統硬件電路設計

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

3 硬件聯合仿真與結果分析

3.1 硬件聯合仿真

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，標稱功率800W的電加熱器為負載。首先用FLUKE434型電能 質量分析儀檢測出該負載上的電壓、電流的各次諧波參數，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%。

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

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

3.2 仿真結果分析

由各表中可以看出，計算出的幅值以及根據幅值計算所得總諧波畸變率的誤差都比較小。隨著采樣點數的增加，計算所得基波和較低次數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 次以內的諧波了。而對于次數較高的諧波，采樣點數的增加對其幅值誤差的改善還是比較明顯的。硬件實現時，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進行計算。

此外，計算所得相位出現了很大的偏差;原本設想通過改變待測信號參數，分析仿真結果來推導出相位偏差的規律，但是隨著數值的改變，相位偏差規律并不 明顯，并未達到預期目的。然而，在改變信號參數的分析過程中發現，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 結束語

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