DSP架構應對電網(wǎng)諧波污染分析的挑戰

在過(guò)去，諧波分析儀不僅非常昂貴，而且難以集成到大規模制造的電表中。因此，對電網(wǎng)進(jìn)行諧波污染分析是一件非常困難的事情，只能偶爾由專(zhuān)業(yè)操作員在某些特定位置進(jìn)行。如今，芯片不僅可以集成更多的信號處理功能，而且尺寸更小、價(jià)格更低廉，能夠實(shí)現對電網(wǎng)的高效使用和監控。

過(guò)去幾十年來(lái)，電源系統呈指數式增長(cháng)，其非線(xiàn)性特性引起了嚴重的諧波污染。這可能帶來(lái)多方面的不利影響，例如：電氣設備過(guò)熱和過(guò)早老化，傳輸線(xiàn)路損耗增加，以及繼電器保護失靈等。因此，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注諧波污染問(wèn)題，并采取了各項措施以實(shí)現更好的電網(wǎng)管理。其中，最佳的一個(gè)方法是在電網(wǎng)內設置更多的觀(guān)測和分析點(diǎn)，并且延長(cháng)監控時(shí)間。隨著(zhù)智能電表在全世界范圍內的加快部署，滿(mǎn)足上述要求的最佳器件會(huì )被用于其中。用于智能電表的ASIC集電能計量特性與諧波分析功能于一身，可能是最適合當下的理想解決方案。請切記，考慮到一塊芯片內要嵌入大量DSP資源，同時(shí)又必須廉價(jià)、尺寸小、功耗低，可想而知頻譜分析絕非易事。本文將討論一種嘗試滿(mǎn)足所有這些需求的DSP架構解決方案。

基頻估算和頻譜成分提取

電網(wǎng)上不斷變化的負載與相對恒定的發(fā)電輸出之間存在一種動(dòng)態(tài)的平衡關(guān)系，這導致在負載較高時(shí)，主電源頻率會(huì )略微降低，而在負載較低時(shí)，主電源頻率會(huì )略微提高。在電網(wǎng)高度發(fā)達并受到密切監控的國家，頻率偏移量相當小，但在電網(wǎng)控制不佳的地區，頻率偏移量可能大到足以影響電氣設備。為此，業(yè)界已進(jìn)行大量研究工作，試圖找到通過(guò)優(yōu)化各種參數，如精度、速度、噪聲和諧波抗擾度等，來(lái)實(shí)現跟蹤頻率的最有效方法。

就電源系統的安全性、穩定性和效率而言，電網(wǎng)的頻率是與電流和電壓同等重要的工作參數?？煽康念l率測量是有效的進(jìn)行電源控制、負載減輕、負載恢復和系統保護的先決條件。

檢測和估算頻率的方法有許多種。例如，過(guò)零方法通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)相繼過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔來(lái)檢測頻率，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非常容易實(shí)現，缺點(diǎn)是精度較低，并且易受諧波、噪聲、直流成分等影響?；贒FT的算法可以利用采樣序列來(lái)估算頻率，但它對輸入信號中的諧波非常敏感。針對本文所述的DSP架構，我們考察了一種基于數字PLL的方法，發(fā)現它很有效，具有高抗擾度，同時(shí)還能提供精確的頻率估算。

圖1所示為標準數字PLL結構及其三個(gè)主要模塊。相位誤差檢波器將輸出發(fā)送到環(huán)路濾波器，環(huán)路濾波器進(jìn)一步控制一個(gè)數字振蕩器，目的是最大程度地降低相位誤差。因此，最終可以獲得輸入信號基頻的估算值?？刂骗h(huán)路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，在45 Hz到66 Hz的標準電網(wǎng)頻率范圍內可提供最佳的鎖定參數性能。

圖1. 基于數字PLL結構的頻率估算