CN108683184B - 一种基于fpga的电能质量综合治理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的电能质量综合治理装置。该装置包括用于三相电计算的第N1计算模块、…和第Nn计算模块，以及用于直流电计算的第M1计算模块、…和第Mm计算模块，n≥2，m≥2，用于三相电计算的计算模块中至少有2个计算模块共用第一乘法器模块，第一乘法器模块包括至少3个乘法器；用于直流电计算的计算模块中至少有2个计算模块共用第二乘法器模块，第二乘法器模块包括至少2个乘法器。本发明的电能质量综合治理装置将用于三相电计算的至少2个计算模块设置为共用第一乘法器模块，将用于直流电计算的至少2个计算模块设置为共用第二乘法器模块，有效减少了电能质量综合治理装置使用的乘法器个数，节约了FPGA的硬件资源。

Description

一种基于FPGA的电能质量综合治理装置
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的电能质量综合治理装置，属于电能质量治理技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的发展，在电能质量治理领域里，计算谐波、无功电流和三相不平衡电流等的算法都比较复杂，尤其是谐波计算要计算50次谐波。如果使用DSP芯片的处理器，则需要循环50次才能完成运算，计算完一种谐波才能计算另一种谐波，而且每计算一种谐波都需要同时计算三相负载的谐波电流，相当于一种算法顺序执行了150次。由于系统对计算运行时间的要求，基于DSP芯片的数据处理方式往往受到非常大的限制。
鉴于FPGA并行处理的速度快，现有的电能质量综合治理装置通常采用FPGA并行处理的方式来提高计算速度。在电能质量综合治理装置中，要实现装置的所有算法，至少需要9个计算模块，传统的方法是在每个计算模块中添加所需的乘法器，按照这种方法计算，整个算法至少需要27个乘法器，对FPGA的硬件资源要求比较高；另外，整个算法中还需要进行一些其他运算，又对FPGA的硬件资源和性能提出来更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的电能质量综合治理装置，用于解决现有电能质量综合治理装置对FPGA的硬件资源和性能要求较高的问题。
为实现上述目的，本发明的一种基于FPGA的电能质量综合治理装置的技术方案，包括用于三相电计算的第N1计算模块、第N2计算模块、…和第Nn计算模块，以及用于直流电计算的第M1计算模块、第M2计算模块、…和第Mm计算模块，n≥2，m≥2，用于三相电计算的计算模块中至少有2个计算模块共用第一乘法器模块，所述第一乘法器模块包括至少3个乘法器；用于直流电计算的计算模块中至少有2个计算模块共用第二乘法器模块，所述第二乘法器模块包括至少2个乘法器。
进一步地，用于三相电计算的计算模块包括电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块和SPWM调制模块，电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块和SPWM调制模块中至少有2个模块共用第一乘法器模块。
进一步地，电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块和SPWM调制模块共用第一乘法器模块。
进一步地，所述第一乘法器模块包括3个乘法器。
进一步地，用于直流电计算的计算模块包括锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块和输出电流PI控制模块；锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块和输出电流PI控制模块中至少有2个模块共用第二乘法器模块。
进一步地，锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块和输出电流PI控制模块共用第二乘法器模块。
进一步地，所述第二乘法器模块包括2个乘法器。
本发明的有益效果是：采用本发明的技术方案，将用于三相电计算的至少2个计算模块设置为共用第一乘法器模块，将用于直流电计算的至少2个计算模块设置为共用第二乘法器模块，有效减少了电能质量综合治理装置使用的乘法器个数，节约了FPGA的硬件资源；且第一乘法器模块包括不少于3个乘法器，可并行计算三相电，能够提高计算速度。
附图说明
图1为乘法器模块共用原理图；
图2为实施例中基于FPGA的电能质量综合治理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
电能质量综合治理装置包括的计算模块分为两种，一种是用于三相电计算的计算模块，另一种是用于直流电计算的计算模块。根据各计算模块的运算顺序，可以将用于三相电计算的各计算模块进行排序，依次记为模块1、模块2、模块3、…、模块n，这n个模块为串行执行关系，可以共用乘法器模块1，如图1所示。由于乘法器模块1是用于三相电计算的，为了提高该模块的计算速度，乘法器模块1中包括至少3个乘法器以便同时对三相电进行计算。
同样，将用于直流电计算的各计算模块进行排序，它们之间也是串行执行关系，可以共用乘法器模块2。由于乘法器模块2是用于直流电计算的，直流电还包括虚拟的两相直流电(d轴、q轴)，为了提高该模块的计算速度，乘法器模块2中包括至少2个乘法器以便同时对两相电进行计算。
具体实施方式如下：
本实施例中电能质量综合治理装置涉及的模块包括电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块、获取补偿增量模块、重复控制模块、输出电流PI控制模块和SPWM调制模块，如图2所示。
这些模块中用于三相电计算的模块有电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块和SPWM调制模块，用于直流电计算的计算模块包括锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块和输出电流PI控制模块。
对上述各模块进行串并行划分：
按串行执行顺序对用于三相电计算的模块进行划分为：电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块、SPWM调制计算模块；按串行执行顺序对用于直流电计算的模块进行划分为：锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块、输出电流PI控制模块。
由于谐波电流计算模块需要的计算周期相对较长，且在各次谐波电流未计算完毕，就无法进行输出电流PI控制模块以及后续模块的计算，同时由于锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、三相不平衡电流计算模块的计算量相对较少，且有先后的执行顺序，因此，从系统电流电压采样计算模块计算完毕，谐波电流计算模块和串行模块组(即锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块和不平衡电流计算模块)的中模块并行执行。
对于乘法器模块1，电流电压采样计算模块使用乘法器模块1计算完毕后，电流电压采样计算模块释放乘法器模块1，供谐波电流计算模块使用；谐波电流计算模块计算完毕，释放乘法器模块1，供重复控制模块计算使用，重复控制模块计算完毕，再次释放乘法器模块1，供SPWM调制计算使用。
对于乘法器模块2，锁相环计算模块使用乘法器模块2，运算完毕后，释放乘法器模块2，供直流升压计算模块使用，运算完毕后，释放乘法器模块2，供计算无功电流模块使用，运算完毕后供不平衡电流计算使用，运算完毕后，释放乘法器模块2，供输出电流PI控制模块计算使用。
本实施例中的电能质量综合治理装置是基于FPGA实现的，其中，乘法器模块1包含3个并行执行的乘法器，乘法器模块2包含2个并行执行的乘法器，仅使用5个乘法器便可以完成电能质量综合治理装置的所有相关乘法运算，占用的FPGA的硬件逻辑资源特别少，可有效降低装置的开发成本；而且其计算速度是普通方法的3倍，整个算法的运算周期减少，可以提高装置的开关频率，从而可提高装置的补偿效果。
本实施例中乘法器模块1包含3个并行执行的乘法器，乘法器模块2包含2个并行执行的乘法器。作为其他实施方式，乘法器模块1也可包括多于3个并行执行的乘法器，乘法器模块2也可包含多于2个并行执行的乘法器。
本实施例中基于FPGA的电能质量综合治理装置包括电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块、获取补偿增量模块、重复控制模块、输出电流PI控制模块和SPWM调制模块。作为其他实施方式，电能质量综合治理装置也可以仅包括上述模块中的几种，或者包含一些其他的计算模块，在实际应用中，只需将涉及到乘法计算的各计算模块进行三相电计算模块和直流电计算模块划分即可。
本发明并不局限于具体的计算模块和模块之间的计算顺序，只要将用于三相电计算的计算模块中的至少两个计算模块共用一个乘法器，将用于直流电计算的计算模块中的至少两个计算模块共用一个乘法器，就可以达到节省FPGA硬件资源的目的。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的电能质量综合治理装置，其特征在于，包括用于三相电计算的计算模块和用于直流电计算的计算模块，用于三相电计算的计算模块包括电流电压采样计算模块、谐波电流计算模块、重复控制模块和SPWM调制模块，用于直流电计算的计算模块包括锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块、不平衡电流计算模块和输出电流PI控制模块；
其中，用于三相电计算的计算模块共用第一乘法器模块，所述第一乘法器模块包括至少3个乘法器，乘法器之间并行计算；用于直流电计算的计算模块共用第二乘法器模块，所述第二乘法器模块包括至少2个乘法器，乘法器之间并行计算；
系统电流电压采样计算模块计算完毕后，使用第一乘法器模块的谐波电流计算模块和使用第二乘法器模块的串行模块组并行执行，所述串行模块组为按串行顺序执行的锁相环计算模块、直流PI升压模块、无功电流计算模块和不平衡电流计算模块。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述第一乘法器模块包括3个乘法器。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的电能质量综合治理装置，其特征在于，所述第二乘法器模块包括2个乘法器。
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