DSP架構應對電網(wǎng)諧波污染分析的挑戰

知道了要從頻譜中所提取成分的精確頻率后，我們就可以考察各種用于提取的選項。談到采樣系統的頻譜分析，我們自然會(huì )想到利用離散傅里葉變換(DFT)這個(gè)工具將信號從時(shí)域映射到頻域。有多種數值算法和處理架構專(zhuān)門(mén)用于實(shí)現這種變換，FFT是其中最著(zhù)名的一種。對比考慮提取的信息量和所需的DSP資源量，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

有一種交流電源系統理論使用復平面中的相量來(lái)代表電壓和電流，該理論與一種以類(lèi)似格式提供頻譜成分的DFT變化形式相一致。從根本上說(shuō)，在目標頻率直接實(shí)現DFT公式也能達到同樣的效果。但是，為使測量具有實(shí)時(shí)性，我們采用了一種從DFT公式獲得求和元素的遞歸方法。實(shí)施方式有多種（取決于可用的DSP資源），但必須牢牢控制一個(gè)重要方面，這就是最大程度地降低頻譜泄漏和噪聲引起的誤差。

圖2以框圖形式說(shuō)明了頻譜成分提取的工作原理。

圖2. 提取基波和諧波頻譜成分

某一相的采樣電壓和電流與基波頻率值一起通過(guò)一個(gè)計算模塊，該計算模塊以相量形式提供計算結果。針對每個(gè)基波頻率和某些用戶(hù)可選的諧波頻率，都會(huì )提供一對相量（電壓和電流）。有了這些分量之后，我們就可以運用電源理論中的已知方法來(lái)提取RMS值和功率。RMS值相當于這些相量的幅度，視在功率則等于這些幅度的乘積。將電流相量直接投影到電壓上并將二者相乘，就可以獲得有功功率。分解電流的另一個(gè)正交元素與電壓相乘就得到無(wú)功功率。

說(shuō)到這里，我們要討論一下采用實(shí)時(shí)方法的可能優(yōu)點(diǎn)（動(dòng)機）。例如，這種架構能夠很好地監控變壓器中的浪涌電流。這種電流發(fā)生在變壓器通電期間，由磁芯的部分周期飽和引起。初始幅度為額定負載電流的2到5倍（然后慢慢降低），并具有極高的二次諧波，四次和五次諧波也會(huì )攜帶有用的信息。如果只看總RMS電流，浪涌電流可能會(huì )被誤認為短路電流，因而可能錯誤地讓變壓器退出服務(wù)。為了識別這種情形，必須獲得二次諧波幅度的精確實(shí)時(shí)值。當我們只需要幾個(gè)諧波的信息時(shí)，運用完整的FFT變換可能不是非常有效。

這種有選擇地計算幾個(gè)諧波成分的方法可能比FFT方法更有效率，所謂三次諧波序列就是另一個(gè)很好的例子。有時(shí)需要特別注意三次諧波的奇數倍諧波（3、9、15、21...）。在接地Y型系統中，當電流在零線(xiàn)上流動(dòng)時(shí)，這些諧波就會(huì )成為一個(gè)重要問(wèn)題。它會(huì )引起兩個(gè)典型問(wèn)題：零線(xiàn)過(guò)載和電話(huà)干擾。有時(shí)候，零線(xiàn)的三次諧波序列壓降導致線(xiàn)路到零線(xiàn)電壓嚴重失真，致使某些設備發(fā)生故障。本文提出的解決方案可以只監控零線(xiàn)電流以及所有相位電流之和上的這些諧波。