無(wú)功功率計(jì)量中移相法的FPGA實(shí)現(xiàn)

3 Hilbert 變換計(jì)算無(wú)功功率

3.1 Hilbert 數(shù)字濾波器基本原理

理想的Hilbert 變換的定義為：

其幅值和相角分別為：

由式(6)~ 式(7) 可以看出，Hilbert 數(shù)字濾波器的幅值特性為1， 信號(hào)通過(guò)Hilbert 數(shù)字濾波器后， 其負(fù)頻率成分進(jìn)行相移π/2， 正頻率成分進(jìn)行相移-π/2。可見(jiàn)，Hilbert 數(shù)字濾波器能用于實(shí)現(xiàn)式(4) 計(jì)算無(wú)功功率。

3.2 FIR 型Hilbert 數(shù)字濾波器的Matlab 設(shè)計(jì)

線性相位FIR 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法主要有窗函數(shù)法、頻率抽樣法和等波紋切比雪夫法( 即最優(yōu)法) ， 本文采用等波紋切比雪夫法進(jìn)行數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。對(duì)于50 Hz 的工頻基波信號(hào)， 若考慮最高諧波次數(shù)為19， 則可以將該數(shù)字濾波器所關(guān)心的頻率范圍設(shè)計(jì)為40 Hz~960 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理， 采樣頻率Fs 應(yīng)不小于2 倍的最高次諧波頻率， 所以至少取2 kHz。

Hilbert 數(shù)字濾波器取N 為奇數(shù)， 設(shè)所要設(shè)計(jì)的濾波器的頻率響應(yīng)為， 逼近加權(quán)函數(shù)為W(w)， 用線性相位FIR 數(shù)字濾波器的H(w) 做逼近函數(shù)， 則逼近誤差函數(shù)為：

令δ=max{|E(w)|} ， 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)問(wèn)題就是尋找使δ最小的系統(tǒng)函數(shù)H(w)，即獲取最優(yōu)的單位沖激響應(yīng)h(n)。所以數(shù)字濾波器應(yīng)有式(9)所要求的頻率響應(yīng)：

圖4 所示為等波紋切比雪夫法設(shè)計(jì)的Hilbert 數(shù)字濾波器的幅頻特性和相頻特性。從圖中可以看出該數(shù)字濾波器具有良好的幅頻特性和相頻特性， 能獲得嚴(yán)格線性相位及很好的衰減特性。