CN105429629A - 基于fpga的锁相方法及其锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于FPGA的锁相方法及其锁相环，采集柔性直流输电系统中网侧电压，将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；然后，对提取的分量电压Uac_alf和Uac_beta的正序分量进行坐标变换，得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，并依据鉴相原理将Q分量通过锁相环输出得到频率误差delt_f，利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位值θ，进而计算该θ的正余弦结果sinθ和cosθ。本发明并利用正序分量的计算锁相环的电压相位，很好的改善了锁相环自己算的准确度，使得锁相环通过本发明的实现方法具有动态响应速度快，稳态误差小等优点。

Description

基于FPGA的锁相方法及其锁相环

技术领域

本发明涉及基于FPGA的锁相方法及其锁相环，属于电力电子及用户电力领域。

背景技术

在柔性直流输电系统中，换流站的触发脉冲生成、系统的控制与保护策略等都需要由同步锁相电路提供基准相位。因此同步锁相环节(PhaseLockedLoop，PLL)是柔性直流输电系统中的一个重要组成部分。传统的锁相环一般采用基于三相同步旋转坐标的锁相方法，在三相平衡时，这种方法很有效。但是在三相不平衡条件下，输入信号的不平衡会产生两倍频的干扰，导致锁相精度下降，影响控制保护系统的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了基于FPGA的锁相方法，解决了锁相环检测精度低的问题，本发明还提出了一种基于FPGA锁相环。

本发明是通过如下方案予以实现的：

1.基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，采集柔性直流输电系统中网侧电压，将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；

步骤2，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；

步骤3，对提取的分量电压Uac_alf和Uac_beta的正序分量进行坐标变换，得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，并依据鉴相原理将Q分量通过锁相环输出得到频率误差delt_f，利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位值θ，进而计算该θ的正余弦结果sinθ和cosθ。

进一步的，步骤1中采集的电压转换成分量电压的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}UacYA\_t\\ UacYB\_t\\ UacYC\_t\end{array}\right]$

其中，UacYA_t、UacYB_t和UacYC_t为采集电压的各相电压值；Uac_alf和Uac_beta为分量电压。

进一步的，步骤2中利用延时寄存器对分量电压Uac_alf和Uac_beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压Uac_alf_1和Uac_beta_1；然后，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta、以及电压Uac_alf_1和Uac_beta_1，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\\ Uac\_neg\_alf\\ Uac\_neg\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0\\ \frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\\ Uac\_alf\_1\\ Uac\_beta\_1\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_alf和Uac_neg_alf分别为分量电压Uac_alf的正序分量和负序分量；Uac_pos_beta和Uac_neg_beta分别为分量电压Uac_beta的正序分量和负序分量。

进一步的，步骤3中对正序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_d\\ Uac\_pos\_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_d为所述正序分量对应的D分量；Uac_pos_q为所述正序分量对应的Q分量。

进一步的，所述步骤3中，利用频率误差delt_f与采集电压的基准频率相加得到实时频率测量值，然后，根据频率测量值计算得出采集电压的相位测量值θ。

2.基于FPGA的锁相环，其特征在于，该锁相环依次由采样环节模块、CLARK变换模块、正负序分离模块、PARK变换模块、鉴相环节模块和正余弦函数模块组成，如下：

1)采样环节模块：用于采集柔性直流输电系统中网侧电压；

2)CLARK变换模块：将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；

3)正负序分离模块：根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；

4)PARK变换模块：对提取的分量电压Uac_alf和Uac_beta的正序分量进行坐标变换，得到所述正序分量对应的D分量和Q分量；

5)鉴相环节模块：依据鉴相原理将Q分量通过锁相环输出得到频率误差delt_f；

6)正余弦函数模块：利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位值θ，进而计算该θ的正余弦结果sinθ和cosθ。

进一步的，所述的CLARK变换模块中，采集的电压转换成分量电压的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}UacYA\_t\\ UacYB\_t\\ UacYC\_t\end{array}\right]$

其中，UacYA_t、UacYB_t和UacYC_t为采集电压的各相电压值；Uac_alf和Uac_beta为分量电压。

进一步的，所述的CLARK变换模块中，利用延时寄存器对分量电压Uac_alf和Uac_beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压Uac_alf_1和Uac_beta_1；然后，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta、以及电压Uac_alf_1和Uac_beta_1，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\\ Uac\_neg\_alf\\ Uac\_neg\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0\\ \frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\\ Uac\_alf\_1\\ Uac\_beta\_1\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_alf和Uac_neg_alf分别为分量电压Uac_alf的正序分量和负序分量；Uac_pos_beta和Uac_neg_beta分别为分量电压Uac_beta的正序分量和负序分量。

进一步的，根据所述的PARK变换模块中，正序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_d\\ Uac\_pos\_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_d为所述正序分量对应的D分量；Uac_pos_q为所述正序分量对应的Q分量。

进一步的，所述的正余弦函数模块中利用频率误差delt_f与采集电压的基准频率相加得到实时频率测量值θ。

本发明和现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了基于FPGA的锁相方法及其锁相环，对柔性直流输电系统上的电压分依次进行离散采样、然后利用CLARK变换、正负序分量的提取、PARK变换及鉴相环节和计算电压相位的测量值，从而实现准确的获取测量电压的相位信息。本发明考虑到由于系统网侧出现某些故障是，会产生负序分量，影响锁相环的精度，所以，对采集电压的分量进行正负序分量提取，并利用正序分量的计算锁相环的电压相位，很好的改善了锁相环自己算的准确度，使得锁相环通过本发明的实现方法具有动态响应速度快，稳态误差小等优点。

而且，本发明采用采模块化可视化的编程在单个FPGA硬件上实现三相软件锁相环可以纯硬件方式并行处理，不占用CPU资源，只要合理设计就能使系统达到很高的性能，同时用户可实现可视化编程，并根据需要对FPGA进行重新编程，在最短的时间内，以较低的成本设计出自己的专用集成电路。

附图说明

图1是本发明实施例中锁相环的原理框图；

图2是本发明实施例中CLARK变换可视化编程的逻辑框图；

图3是本发明实施例中正负序分离可视化编程的逻辑框图；

图4是本发明实施例中PARK变换及鉴相环节可视化编程的逻辑框图；

图5是本发明实施例中正余弦函数可视化编程的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

基于FPGA的锁相方法，本实施例中实现本发明方法的主要流程依次为：采集系统中的网侧电压、CLARK变换、正负序分量的提取、PARK变换及鉴相环节、计算电压相位的测量值；具体步骤如下：

步骤(一)、采集系统中的网侧电压：

设定程序执行步长T_step，对柔性直流输入系统中的网侧电压进行采样，每采样一次，利用计数器对T_step加1，在程序任务周期Ts内完成整个程序的采样，以保证所有功能块都在Ts内按照设定顺序执行一次。

步骤(二)、CLARK变换：

如图1所示，将采样后的系统电压进行CLARK变换，即按照式(1)计算，将采集的三相电压信号转换成两相静止坐标系的分量Uac_alf和Uac_beta，然后，按照设定的Ts进行周期性输出；CLARK变换表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}UacYA\_t\\ UacYB\_t\\ UacYC\_t\end{array}\right]---\left(1\right)$

步骤(三)、正负序分量提取：

如图2所示，利用延时寄存器将通过步骤(二)中得到的两相静止坐标系的分量Uac_alf和Uac_beta分别延时1/4基波周期电压得到Uac_alf_1和Uac_beta_1，并利用公式(2)实现对分量Uac_alf和Uac_beta的正负序分量的提取，然后，将提取的正负序分量按照Ts进行周期性输出；正负序分量提取的表达式如下:

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\\ Uac\_neg\_alf\\ Uac\_neg\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0\\ \frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\\ Uac\_alf\_1\\ Uac\_beta\_1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，Uac_pos_alf和Uac_neg_alf分别为分量电压Uac_alf的正序分量和负序分量；Uac_pos_beta和Uac_neg_beta分别为分量电压Uac_beta的正序分量和负序分量。

步骤(四)、PARK变换及鉴相环节：

之所以会产生负序分量，是由于柔性直流输入系统中的网侧出现故障，影响锁相环的测量精度，故只将正序分量应用于锁相环。所以，如图4所示，基于PARK变换，利用公式(3)将分量Uac_alf和Uac_beta中的正序分量从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，从而得到网侧电压的DQ分量，即Uac_pos_q，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_d\\ Uac\_pos\_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\end{array}\right]---\left(3\right)$

然后，根据鉴相原理，通过控制Uac_pos_q＝0来实现相位的实时跟踪。然后，利用锁相环中的PI控制器对Uac_pos_q进行调节，输出得到频率误差delt_f；然后频率误差delt_f按照Ts进行周期性输出。

步骤(五)、计算电压相位的测量值：

如图4所示，利用步骤(四)中求得的delt_f与基准频率相加得到实时频率测量值；然后，经过积分环节得到采集电压的相位测量值θ，并利用CORDIC坐标旋转数字计算方法计算算采集电压相位的正余弦sinθ和cosθ(即所需要得到的系统相位电压的信息)，并按照Ts进行周期性输出。

本实施例中的鉴相原理和CORDIC算法均为现有技术，其具体工作原理故不再这里赘述。

本实施例中还提取了基于FPGA锁相环，通过在可编程门阵列FPGA上实现本实施例方法的全部功能。该锁相环依次由采样环节模块、CLARK变换模块、正负序分离模块、PARK变换模块、鉴相环节模块和正余弦函数模块组成，具体如下：

1)采样环节模块：用于采集柔性直流输电系统中网侧电压；

2)CLARK变换模块：如图2所示，将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；

3)正负序分离模块：如图3所示，利用延时寄存器对分量电压Uac_alf和Uac_beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压Uac_alf_1和Uac_beta_1；然后，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta、以及电压Uac_alf_1和Uac_beta_1，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；

4)PARK变换模块：如图4所示，对负序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta进行坐标变换；

5)鉴相环节模块：如图4所以，将通过负序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta进行坐标变换后得到的电压值，依据鉴相原理通过锁相环输出频率误差delt_f；

6)正余弦函数模块：如图5所示，利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位的正余弦结果sinθ和cosθ。

在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，采集柔性直流输电系统中网侧电压，将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；

步骤2，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；

步骤3，对提取的分量电压Uac_alf和Uac_beta的正序分量进行坐标变换，得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，并依据鉴相原理将Q分量通过锁相环输出得到频率误差delt_f，利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位值θ，进而计算该θ的正余弦结果sinθ和cosθ。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤1中采集的电压转换成分量电压的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}UacYA\_t\\ UacYB\_t\\ UacYC\_t\end{array}\right]$

其中，UacYA_t、UacYB_t和UacYC_t为采集电压的各相电压值；Uac_alf和Uac_beta为分量电压。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤2中利用延时寄存器对分量电压Uac_alf和Uac_beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压Uac_alf_1和Uac_beta_1；然后，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta、以及电压Uac_alf_1和Uac_beta_1，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\\ Uac\_neg\_alf\\ Uac\_neg\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0\\ \frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\\ Uac\_alf\_1\\ Uac\_beta\_1\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_alf和Uac_neg_alf分别为分量电压Uac_alf的正序分量和负序分量；Uac_pos_beta和Uac_neg_beta分别为分量电压Uac_beta的正序分量和负序分量。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤3中对正序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_d\\ Uac\_pos\_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_d为所述正序分量对应的D分量；Uac_pos_q为所述正序分量对应的Q分量。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的锁相方法，其特征在于，所述步骤3中，利用频率误差delt_f与采集电压的基准频率相加得到实时频率测量值，然后，根据频率测量值计算得出采集电压的相位测量值θ。

6.基于FPGA的锁相环，其特征在于，该锁相环依次由采样环节模块、CLARK变换模块、正负序分离模块、PARK变换模块、鉴相环节模块和正余弦函数模块组成，如下：

1)采样环节模块：用于采集柔性直流输电系统中网侧电压；

2)CLARK变换模块：将采集的电压转换成两相静止坐标系的分量电压Uac_alf和Uac_beta；

3)正负序分离模块：根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量；

4)PARK变换模块：对提取的分量电压Uac_alf和Uac_beta的正序分量进行坐标变换，得到所述正序分量对应的D分量和Q分量；

5)鉴相环节模块：依据鉴相原理将Q分量通过锁相环输出得到频率误差delt_f；

6)正余弦函数模块：利用频率误差delt_f即可得到采集电压相位值θ，进而计算该θ的正余弦结果sinθ和cosθ。

7.根据权利要求6所述的基于FPGA锁相环，其特征在于，所述的CLARK变换模块中，采集的电压转换成分量电压的表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}& -\frac{1}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}UacYA\_t\\ UacYB\_t\\ UacYC\_t\end{array}\right]$

其中，UacYA_t、UacYB_t和UacYC_t为采集电压的各相电压值；Uac_alf和Uac_beta为分量电压。

8.根据权利要求6所述的基于FPGA锁相环，其特征在于，所述的CLARK变换模块中，利用延时寄存器对分量电压Uac_alf和Uac_beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压Uac_alf_1和Uac_beta_1；然后，根据求取的分量电压Uac_alf和Uac_beta、以及电压Uac_alf_1和Uac_beta_1，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负序分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\\ Uac\_neg\_alf\\ Uac\_neg\_beta\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& 0& 0& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0\\ \frac{1}{2}& 0& 0& \frac{1}{2}\\ 0& \frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_alf\\ Uac\_beta\\ Uac\_alf\_1\\ Uac\_beta\_1\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_alf和Uac_neg_alf分别为分量电压Uac_alf的正序分量和负序分量；Uac_pos_beta和Uac_neg_beta分别为分量电压Uac_beta的正序分量和负序分量。

9.根据权利要求8所述的基于FPGA锁相环，其特征在于，根据所述的PARK变换模块中，正序分量Uac_pos_alf和Uac_pos_beta从两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系得到所述正序分量对应的D分量和Q分量，表达式如下：

$\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_d\\ Uac\_pos\_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ -sin\mathrm{\θ}& cos\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Uac\_pos\_alf\\ Uac\_pos\_beta\end{array}\right]$

其中，Uac_pos_d为所述正序分量对应的D分量；Uac_pos_q为所述正序分量对应的Q分量。

10.根据权利要求6所述的基于FPGA锁相环，其特征在于，所述的正余弦函数模块中利用频率误差delt_f与采集电压的基准频率相加得到实时频率测量值θ。