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基于FPGA的快速傅立叶变换算法实现

材料写作网    时间: 2020-07-04 04:33:46     阅读:

摘 要

电力系统自建成以来就存在着电力系统谐波问题,随着数字化装置的广泛应用,电力谐波成为影响电力系统稳定性的一大因素。为解决快速傅立叶变换算法(FFT)的频谱泄漏问题,本文采用了基于FPGA的线性插值实现对电力系统工频频谱泄漏问题改善和实时谐波分析和检测。通过研究表明,基于FPGA的FFT对电力系统谐波检测具有运算大、精度高、高速度的特点,从而实现了对谐波信号的实时监测处理。

【关键词】FPGA 谐波检测 FFT 频谱泄漏

1 电力系统谐波的形成原理

电力系统谐波的形成是由于电力系统负荷和设备存在的非线性特性,即系统中的电压形成的电流不是成正比例关系,从而形成波形畸变。对于伏安特性保持正比例关系的用电负荷或设备,当在电力系统中施加一个成正弦关系的电压时,产生一个相应的正弦电流,反之也相同。但正弦电压不会导致波形畸变。当设备或负荷的伏安特性表现出非线性关系时,产生的电流也是非正弦波,设备或系统的电压和电流频率域系统频率保持一致,因此电流产生了畸变波形,从而导致系统中产生谐波[1]。

1.1 频谱泄漏

电力系统中,谐波变化因素众多,且频率高,含量低,所以电力系统中的谐波分布都是随机的、非线性的。实际测量过程中,往往都是在特定的观测时间下进行谐波测量,信号采集也集中于选定的N点,因此,对于测量所获得的结果,应该充分考虑到测量信号的有限长度、时频域的离散型而导致的特殊效应。对于具有周期信号的傅立叶计算,将其假设为理想状态为:当采样频率数量满足要求条件下,记录足够的信号样点数,通过频域变化在对应的离散域位置得到独立谱线,每根谱线都有一对应的频率分量。但是,当测量采样参数与被测信号间出现不匹配时,各谱线间相互影响,导致分析结果产生较大误差,并且在获得的真实谱线两侧产生若干点较小幅度的假谱,这种假谱即为频谱泄漏。然而采样数据经过线性插值后,获得更多的快速傅立叶变换算法(FFT)的采样点,此时频谱泄漏会改善很多[2,3]。

1.2 电力系统中的谐波测量

当前,在电力系统谐波检测技术中,基于FFT已经发展的较为完善,其是通过调理电路对输入电压和电流模拟量的信号转变,利用模拟信号转化为数字信号的AD电路将检测信号转变成离散型的数字量,通过傅立叶变化公式来计算得到不同谐波和基波的相位角和幅值,再按照国家标准计算获得对应的谐波指标并在液晶显示屏上实时显示。

基于FFT谐波时域测量...

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