谐波电能计量算法及其FPGA实现

发布时间：2017-08-18 00:07

  本文关键词：谐波电能计量算法及其FPGA实现

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【摘要】：随着电力电子技术的迅猛发展,大量具有非线性特性的电力设备投入到电网中运行,电网中出现大量的谐波,造成电力系统谐波污染,同时也严重影响着电能计量的准确性。研究谐波电能计量算法目的就是为了实现谐波的精确分析以及谐波电能的准确计量,为电能的科学管理提供可靠依据。 论文首先介绍了国内外现有的谐波电能计量算法,并研究了加窗插值FFT算法、小波包分解算法两种常用的谐波电能计量算法,在此基础之上,提出一种更适合ASIC实现的基于专用数字滤波器的谐波电能计量算法。 论文设计了一套满足需求的专用数字滤波器模块,对该模块的运算量、存储量进行估算,并与加窗插值FFT算法所需运算量、存储量作了对比。无功电能计量系统的设计是在有功电能计量设计基础上加入Hilbert数字滤波器。论文研究了两种Hilbert数字滤波器的设计方法,选择效果更好的等波纹切比雪夫法设计Hilbert数字滤波器。在MATLAB平台下,对专用数字滤波器模块、Hilbert数字滤波器模块以及有功/无功电能计量系统分别进行了仿真验证。 论文选择在Altera公司的FPGA芯片Cyclone Ⅱ系列EP2C35F672C8目标板上实现硬件设计。专用数字滤波器模块采用在MATLAB环境下使用DSP Builder建模,自动生成VHDL代码的方式来实现；Hilbert数字滤波器模块采用Altera公司提供的FIR IP核来实现。两个模块都在硬件上进行了验证。 最后,在FPGA上实现谐波电能计量系统,以非正弦信号进行了验证,讨论分析测试结果,找到误差来源和提高计量精度的方法。
【关键词】：谐波 谐波电能 专用数字滤波器 Hilbert数字滤波器 FPGA
【学位授予单位】：首都师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM933.4;TN791
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 本文的研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究的现状12-15
• 1.3 本文研究的主要内容15-17
• 第二章 电能计量原理及几种主要的电能计量算法17-33
• 2.1 电能计量原理17-21
• 2.1.1 正弦交流电路的功率17-18
• 2.1.2 有功电能计量18
• 2.1.3 无功电能计量18-19
• 2.1.4 谐波功率的定义19-20
• 2.1.5 谐波电能数字化计量20-21
• 2.2 基于傅立叶变换的谐波电能计量算法21-29
• 2.2.1 离散傅立叶变换21-22
• 2.2.2 快速傅立叶变换22-24
• 2.2.3 基于FFT的谐波计量算法的问题及改进24-29
• 2.3 基于小波包分解的谐波电能计量算法29-33
• 2.3.1 小波变换的定义29-30
• 2.3.2 小波变换与小波包谐波电能计量原理30-33
• 第三章 基于专用数字滤波器的谐波电能计量算法33-49
• 3.1 设计思路和算法概述33-34
• 3.2 专用数字滤波器模块的设计34-38
• 3.2.1 取基波低通滤波器的设计34-35
• 3.2.2 去基波高通滤波器的设计35
• 3.2.3 谐波带通滤波器的设计35-37
• 3.2.4 运算量和存储量估计和对比37-38
• 3.3 Hilbert数字滤波器的设计38-42
• 3.3.1 Hilbert数字滤波器的基本原理38
• 3.3.2 Hilbert数字滤波器设计38-42
• 3.4 仿真验证42-49
• 3.4.1 专用数字滤波器模块的建模与仿真42-43
• 3.4.2 Hilbert数字滤波器的仿真43-44
• 3.4.3 谐波电能计量系统的建模与仿真44-49
• 第四章 专用数字滤波器算法的FPGA实现49-57
• 4.1 专用数字滤波器模块的FPGA实现49-53
• 4.1.1 专用数字滤波器模块的硬件设计49-51
• 4.1.2 专用数字滤波器模块的硬件实现51-52
• 4.1.3 专用数字滤波器模块的验证52-53
• 4.2 Hilbert数字滤波器的FPGA实现53-57
• 4.2.1 FIR IP核的参数设置54-55
• 4.2.2 Hilbert数字滤波器的硬件实现55
• 4.2.3 Hilbert数字滤波器的硬件验证55-57
• 第五章 谐波电能计量算法的FPGA实现57-61
• 5.1 系统其他模块的实现57-59
• 5.1.1 乘法器模块57
• 5.1.2 累加器模块57-58
• 5.1.3 除法器模块58
• 5.1.4 并行加法器模块58-59
• 5.2 有功电能计量系统的FPGA实现59
• 5.3 无功电能计量系统的FPGA实现59-61
• 第六章 测量结果分析与总结61-65
• 6.1 硬件测试61
• 6.2 测试结果分析61-62
• 6.3 总结和展望62-65
• 参考文献65-69
• 论文发表及参与的项目情况69-71
• 致谢71

【参考文献】

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本文编号：691738