基于快速傅立葉變換的在線電網(wǎng)諧波分析儀

0 引言

由于大量非線性負載(如開關電源、電弧焊機、電力變頻器等)的應用，導致電網(wǎng)高次諧波含量增加，也就是諧波污染。如果不對諧波污染進行嚴格的限制會造成很大的危害。高次諧波含量超標對于電子設備會引發(fā)電磁兼容問題，導致半導體器件誤動作；對于配電系統(tǒng)，會造成中性線電流過大以至發(fā)熱甚至燃燒；對于電力傳輸系統(tǒng)，由于功率因素下降造成大量的能量消耗在電網(wǎng)電力傳輸線上。因此電力諧波分析治理對電網(wǎng)的管理有重要的意義。

1 電力諧波分析技術

1．1 電力諧波分析標準
　　電力諧波分析技術主要是分析電網(wǎng)電壓波形的頻域振幅特性，國際電工委員會(IEC)陸續(xù)頒布了IEC 61000電磁兼容(EMC)諧波電壓規(guī)劃值和兼容值，國家質量監(jiān)督局于1993年頒布了國標《電能質量公用電網(wǎng)諧波》(GB／T14549-93)，分別對電網(wǎng)諧波規(guī)劃值做出相關規(guī)定。可知對高次諧波的限制比對低次諧波的嚴格，而且3的倍數(shù)的諧波含量限制嚴格于非3的倍數(shù)的諧波。

1．2 頻譜分析技術

頻譜分析技術實現(xiàn)方法主要有掃頻法和傅立葉變換法，采用掃頻法實現(xiàn)的頻譜分析儀也稱為掃描調諧頻譜分析儀，主要采用模擬信號處理技術，只能實現(xiàn)顯示觀察功能，其靈活性較差。采用傅立葉變換實現(xiàn)的頻譜分析儀也稱為實時頻譜分析儀，主要采用數(shù)字信號處理技術實現(xiàn)。將數(shù)字信號處理算法用C語言實現(xiàn)并下載到數(shù)字信號處理器(DSP)，由數(shù)字信號處理器和各種輸入輸出模塊共同構成的嵌入式系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)靈活的調整設置，并且很容易通過數(shù)字通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳。在線電網(wǎng)諧波分析儀采用的是基于快速傅立葉變換(FFT)的頻譜分析技術。

2 在線電網(wǎng)諧波分析儀的硬件設計

2．1 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，通過工頻同步方波電路、鎖相倍頻電路、模擬信號調理電路把電網(wǎng)電壓信息引入到DSP中，利用傅立葉變換對電網(wǎng)信息進行分析。LCD分屏顯示電網(wǎng)電壓波形、頻域上電壓振幅譜，通過按鍵來實現(xiàn)電壓波形和頻譜顯示來回切換。RS-485實現(xiàn)頻譜分析結果數(shù)據(jù)遠傳，RS-232接口與PC機通信，通過Windows XP操作系統(tǒng)超級終端訪問分析儀，對RS-485接口通信波特率、分析儀器的本機通信地址、各次諧波上限報警進行設置。

2．2 采樣電路

2．2．1 模擬輸入前端通路

采用高精度電壓互感器檢測電網(wǎng)的電壓波形。電壓檢測電路如圖2所示，電壓互感器輸出電壓峰峰值為12V交流電壓。其中R1起限流作用。

2．2．2 抗混疊濾波電路

抗混疊濾波采用二階巴特沃斯響應濾波器實現(xiàn)。由于本分析儀器要對2～31次諧波進行分析，所以對高于31次諧波頻率的信號可以通過濾波器濾除。通過設計該濾波器截止頻率為5kHz。

2．2．3 工頻同步方波產(chǎn)生電路

為了得到與電網(wǎng)電壓頻率一致的方波信號，本文設計了如圖3所示的電路。電路工作原理是電網(wǎng)電壓信號通過限流電阻R1后再通過兩個反并聯(lián)IN4007二極管得到了幅值為0．7V的方波。幅值為0．7V的方波通過電壓比較器LM393得到幅值為5V的方波。

2．2．4 鎖相倍頻電路

鎖相倍頻電路由CD4046和雙4位計數(shù)器CD4520構成。

2．2．5 電壓調理電路

電壓互感器輸出電壓通過濾波后得到的電壓波形是-6v到+6V之間變化的正弦波，而A／D轉換器輸入電壓范圍是0～3V，所以需要通過模擬運放進行電壓調理。運放U1是加法器，而U2是反相器，U3產(chǎn)生基準電壓使電壓信號提高到0V以上。電壓調理電路原理如圖4所示。