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基于加窗插值FFT的电力谐波检测技术研究

作　者: 陈泽旭
导　师: 刘丽钧；于海雁
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 电力谐波检测加窗插值算法快速傅立叶变换现场可编程门阵列
分类号: TM935
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电力电子技术的迅速发展促使各种电力电子系统应用得更加广泛,电网受此影响便会产生大量有害谐波。当电力谐波成分超过一定限度时,将严重影响用电设备的平稳性。谐波治理尤为迫切,那么首要解决的问题就是谐波检测,准确检测电网中谐波的实际参数。本文对比分析了一些常用电力谐波检测方法的优、缺点,根据电力谐波的特点,针对直接运用FFT分析谐波信号会产生频谱泄露与栅栏效应的现象,提出了布莱克曼窗与双峰插值相结合的FFT算法。同时基于该算法,利用多项式逼近方法推导出频率、幅值和相位的修正计算公式。经Matlab仿真证明,运用该算法计算各次谐波的频率、幅值和相位,精度明显提高。本课题结合上述算法设计谐波检测系统,系统采用软硬件相结合的方法进行设计。系统硬件以FPGA为核心,周围配有电流电压互感器电路、抗混叠滤波电路、波形变换电路、A/D前端信号调理电路、A/D与FPGA的接口电路、按键电路、液晶显示电路和电源电路等;系统软件以NiosⅡCPU为核心,周围配有DPLL锁相环模块、A/D采样控制模块、FIFO模块、ROM加窗模块和FFT模块等。在此系统的设计中,运用可编程片上系统SOPC的设计理念,即把部分硬件逻辑电路要完成的功能、各软件模块和NiosⅡCPU都集成在单片FPGA上实现。这样设计可做到速度与面积的最优平衡,各进程并行工作,具有速度快、易扩展和工作稳等特点。系统经实验、仿真及调试,实验结果验证了该设计方案的可行性。本系统能有效的检测出谐波的频率与幅值,能够满足谐波检测的实际要求,具有一定的实用价值。此外,本文还对实验结果的误差来源和影响做出详细分析。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-14
  1.1 课题研究的背景及意义  11
  1.2 国内外发展的现状  11-12
    1.2.1 国内发展状况  11-12
    1.2.2 国外发展状况  12
  1.3 谐波检测的目的及意义  12-13
  1.4 课题的内容结构  13-14
第二章谐波检测的理论根据  14-30
  2.1 谐波的定义  14-15
  2.2 电能参数指标  15-16
  2.3 谐波测量的常用算法  16-17
  2.4 FFT 算法原理  17-21
  2.5 基于加窗插值的FFT 算法  21-29
    2.5.1 加窗插值的FFT算法原理  21-25
    2.5.2 加窗插值的FFT算法仿真  25-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章系统硬件设计  30-40
  3.1 系统硬件总体结构  30-31
  3.2 系统的核心硬件开发环境  31
  3.3 信号调理电路  31-35
    3.3.1 互感器电路  31-32
    3.3.2 抗混叠电路  32-33
    3.3.3 A/D输入前端信号调理电路  33-34
    3.3.4 基波信号调理电路  34-35
  3.4 A/D 采样器与FPGA 的连接电路  35-36
    3.4.1 A/D采样器的选用  35-36
    3.4.2 A/D采样器与FPGA的接口电路  36
  3.5 其他硬件电路  36-39
    3.5.1 电源电路  36-37
    3.5.2 时钟电路  37
    3.5.3 按键与显示电路  37-39
    3.5.4 复位按键电路  39
  3.6 本章小结  39-40
第四章系统软件设计  40-59
  4.1 软件总体设计  40-41
  4.2 软件开发环境  41
  4.3 测频模块设计  41-43
  4.4 数字锁相环倍频模块DPLL 设计  43-44
    4.4.1 鉴相器sjx  43
    4.4.2 环路滤波器shlb  43
    4.4.3 数控振荡器skzd  43-44
    4.4.4 数字锁相环倍频模块DPLL电路仿真  44
  4.5 A/D 控制采样状态机设计  44-46
  4.6 输入缓冲  46-49
    4.6.1 FIFO的定制  46-47
    4.6.2 输入缓冲的实现  47-49
  4.7 ROM 加窗处理  49-52
    4.7.1 ROM的定制  49-50
    4.7.2 窗函数的mif文件  50-52
    4.7.3 加窗处理的实现  52
  4.8 FFT 处理模块  52-56
    4.8.1 FFT IP核  53-54
    4.8.2 FFT IP核定制  54-55
    4.8.3 FFT处理模块的功能实现  55-56
  4.9 键盘和显示模块  56-58
  4.10 本章小结  58-59
第五章实验结果及误差分析  59-63
  5.1 实验结果  59-61
  5.2 误差分析  61-62
  5.3 抗干扰措施  62
  5.4 本章小结  62-63
第六章结论  63-64
参考文献  64-66
附录系统PCB图及实物图  66-68
在学研究成果  68-69
致谢  69

基于加窗插值FFT的电力谐波检测技术研究

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