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由于電力系統中非線(xiàn)性電子元件的大量使用，使得諧波污染問(wèn)題日益嚴重，當諧波含量超過(guò)一定限度時(shí)就可能對電網(wǎng)和用戶(hù)造成極大的危害，且增加線(xiàn)路損耗，降低線(xiàn)路傳輸能力，干擾通信信號等。因此，應該積極尋找一種治理諧波污染的有效手段。 目前有源電力濾波器(APF)是治理電網(wǎng)諧波污染的一種有效手段，APF的補償原理是實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與系統中的無(wú)功和諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，用以抵消非線(xiàn)性負載產(chǎn)生的無(wú)功和諧波電流，使流入電網(wǎng)的電流全是有功分量，因此無(wú)功和諧波電流的實(shí)時(shí)檢測就成為實(shí)時(shí)補償的關(guān)鍵。而諧波及無(wú)功電流的檢測實(shí)質(zhì)就是低通濾波器的設計。本文利用MATLAB中的FDATool實(shí)現了對數字低通濾波器模型的快速設計，并采用VHDL語(yǔ)言在FPGA上實(shí)現。 1 低通濾波器的選擇 濾波器有模擬濾波器和數字濾波器兩種。這里選用數字濾波器，因為它相對于模擬濾波器更容易進(jìn)行濾波代數運算，而且它不會(huì )像模擬濾波器那樣隨時(shí)間、溫度、電壓漂移，還有就是它能實(shí)現近似理想的響應和線(xiàn)性相位，所以能更好地達到諧波檢測的實(shí)時(shí)性和準確性的要求。 數字濾波器有無(wú)限沖激響應(IIR)系統和有限沖激響應(FIR)系統兩種。雖然FIR濾波器相對于IIR濾波器可以得到嚴格的線(xiàn)性相位，但在相同技術(shù)指標下，IIR濾波器由于存在輸出對輸入的反饋，因而可用大約1／10"1／5FIR濾波器的階數來(lái)滿(mǎn)足指標的要求，從而使得所用空間少，運算次數少，實(shí)時(shí)性強。由于諧波檢測環(huán)節對相位要求不高，而對計算速度要求極高，因此選擇IIR濾波器作為研究的對象。 2 利用MATLAB設計IIR濾波器 目前數字濾波器的設計有許多現成的高級語(yǔ)言設計程序，但他們都存在設計效率較低，不具有可視圖形，不便于修改參數等缺點(diǎn)，而Matlab為數字濾波的研究和應用提供了一個(gè)直觀(guān)、高效、便捷的工具。它以矩陣運算為基礎，把計算、可視化、程序設計融合到了一個(gè)交互式的工作環(huán)境中。尤其是Matlab工具箱使各個(gè)領(lǐng)域的研究人員可以直觀(guān)而方便地進(jìn)行科學(xué)研究與工程應用。其中的信號處理工具箱、圖像處理工具箱、小波工具箱等更是為數字濾波研究的蓬勃發(fā)展提供了可能。 2．1 在Matlab中進(jìn)行仿真設計 許多文獻中在利用Matlab設計IIR數字濾波器時(shí)，采用先設計一個(gè)模擬濾波器，然后利用脈沖響應不變法或者雙線(xiàn)性變換法，將模擬濾波器的傳輸函數轉換成數字濾波器的系統函數，設計過(guò)程比較復雜，編寫(xiě)的程序比較長(cháng)，沒(méi)有很專(zhuān)業(yè)的知識是設計不出來(lái)的。而本文利用FDAFool工具可以非常方便地設計出數字濾波器。 FDATool(Filter Design&Analysis Tool)是Matlab中的一種圖形用戶(hù)工具，為濾波器的設計提供了一個(gè)綜合、簡(jiǎn)便的圖形用戶(hù)界面。本文要設計一個(gè)諧波檢測電路中的低通濾波器，對于三相電路而言，其交流側主要是5次和7次諧波，因此本文設計的低通濾波器的指標為：模擬信號采樣頻率Fs=2000Hz，通帶截止頻率Fpass=100Hz，阻帶截止頻率Fstop=200Hz，通帶波動(dòng)不大于0．1dB，阻帶衰減不小于32dB。在圖1界面中設置好參數，并且選擇IIR中的Elliptic濾波器，然后點(diǎn)擊Design filter，即可得到所設計濾波器的模型：Order(階)=4，Sections(節)=2，并可觀(guān)察其幅度響應、相位響應，還可以觀(guān)察脈沖響應、階躍響應、濾波器的零極點(diǎn)繪制圖以及系統函數的各個(gè)系數等指標。 2．2 利用Simulink檢驗濾波效果 打開(kāi)Simulink新建一個(gè)文件untitledl如圖2，在FDATool界面中點(diǎn)擊Realize Model，將設計好的濾波器模型導入Simulink中，然后添加三個(gè)頻率分別為50Hz、250Hz、350Hz的正弦波，利用Scope見(jiàn)察通過(guò)數字低通濾波器Filter的濾波效果。 Scopel顯示的是50Hz正弦波，Scope2顯示的是50Hz疊加上250Hz、350Hz正弦波后的波形，Scope顯示的是通過(guò)我們設計的低通濾波器后的波形，對比圖3(a)、(b)可以看出，濾波后的波形保留了50Hz的信號，且略有延遲，并將高頻部分有效地濾除，說(shuō)明設計的濾波器符合要求。 3 數字低通濾波器FPGA實(shí)現 數字濾波器的實(shí)現方法一般有以下幾種： (1)采用加法器、乘法器、延時(shí)器設計專(zhuān)用的濾波電路。 (2)在通用計算機系統中加上專(zhuān)用的加速處理機設計實(shí)現。 (3)用通用的可編程DSP芯片實(shí)現。 (4)用專(zhuān)用的DSP芯片實(shí)現。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現。這種芯片將相應的濾波算法在芯片內部用硬件實(shí)現，無(wú)需進(jìn)行編程。 (5)采用FPGA／CPLD設計實(shí)現。 在上述幾種方法中，第(2)種方法的缺點(diǎn)是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬。第(1)、(4)種方法專(zhuān)用性強，應用受到很大的限制。第(3)、(5)種方法都可以通過(guò)編程來(lái)實(shí)現各種數字濾波，使用DSP器件實(shí)現雖然簡(jiǎn)單，但由于程序順序執行，執行速度必然不快。FPGA有著(zhù)規整的內部邏輯陣列和豐富的連線(xiàn)資源，特別適合于數字信號處理任務(wù)，相對于串行運算為主導的通用DSP芯片來(lái)說(shuō)，其并行性和可擴展性更好。但長(cháng)期以來(lái)，FPGA一直被用于系統邏輯或時(shí)序控制上，很少有信號處理方面的應用，其原因主要是因為在FPGA中缺乏實(shí)現乘法運算的有效結構�，F在這個(gè)問(wèn)題得到了解決，使FPGA在數字信號處理方面有了長(cháng)足的發(fā)展。 文獻中是在MATLAB中設計出數字低通濾波器后，得到其系統函數H(z)的系數，然后將系數轉換為二進(jìn)制，再利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編程，而編程的過(guò)程非常繁瑣。 本文利用FDATool可以直接得到VHDL文件，在其菜單欄中的選擇Fargets＼Generate HDL，在打開(kāi)的界面中選擇VHDL file，建立文件名為filter．vhd，同時(shí)可以得到測試文件filter tb．vhd。利用QuartusII軟件打開(kāi)以上文件進(jìn)行編譯、綜合，最后將其下載到FPGA中即可實(shí)現低通濾波器的功能。 4 結束語(yǔ) 本文利用Matlab中的FDATool實(shí)現了IIR數字低通濾波器的設計及仿真，設計過(guò)程簡(jiǎn)單、直接，大大縮減了設計開(kāi)發(fā)的時(shí)間。采用FPGA進(jìn)行濾波器的硬件設計，能夠達到諧波檢測實(shí)時(shí)性和準確性的要求，為電力有源濾波器諧波檢測中低通濾波器的設計提供了參考。同時(shí)在實(shí)際應用中，可以方便地對濾波器參數進(jìn)行修改，很容易實(shí)現其他各種濾波器的設計，具有一定的工程設計參考價(jià)值。(現代電子技術(shù)) |
