基于fpga的锁相方法及其锁相环的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于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】
[0002] 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,化L)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=相同步旋转坐标的锁相 方法，在=相平衡时，运种方法很有效。但是在=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】
[0003] 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。
[0004] 本发明是通过如下方案予W实现的：
[0005] 1.基于FPGA的锁相方法，其特征在于，步骤如下：
[0006] 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;
[0007] 步骤2，根据求取的分量电压^c_alf和化c_beta，提取分量电压^c_alf和化c_ be化的正负序分量；
[000引步骤3,对提取的分量电压化c_alf和化c_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0，进而计算该0的正余弦结果sin0 和COS白。
[0009]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：
[0011] 其中，化cYA_t、化cYB_t和化cYC_t为采集电压的各相电压值;^c_alf和化c_beta 为分量电压。
[0012] 进一步的，步骤2中利用延时寄存器对分量电压化c_alf和化c_beta分别延时四分 之一基波周期，进而得到电压化c_alf_l和化c_beta_l;然后，根据求取的分量电压化c_alf 和Uac_beta、W及电压Uac_alf_^RUac_beta_l，提取分量电压Uac_alf和Uac_beta的正负 序分量，表达式如下：
[0014] 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;^c_pos_beta和化c_neg_be化分别为分量电压化c_beta的正序分量和负序分量。
[0015] 进一步的，步骤3中对正序分量^c_pos_alf和化c_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：
[0017] 其中，化(3_9〇3_(1为所述正序分量对应的D分量;化(3_9〇3_9为所述正序分量对应的 Q分量。
[0018]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0。
[0019] 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、CLA服变换模 块、正负序分离模块、PA服变换模块、鉴相环节模块和正余弦函数模块组成，如下：
[0020] 1)采样环节模块:用于采集柔性直流输电系统中网侧电压；
[0021] 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化c_alf和 Uac_beta;
[0022] 3)正负序分离模块:根据求取的分量电压化c_alf和化c_beta，提取分量电压^c_ alf和化c_beta的正负序分量；
[0023] 4)PA服变换模块:对提取的分量电压化c_alf和化c_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；
[0024] 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;
[0025] 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目，进而计算该 白的正余弦结果sin白和COS白。
[0026]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：
[002引其中，化cYA_t、化cYB_t和化cYC_t为采集电压的各相电压值;^c_alf和化c_beta为分量电压。
[0029] 进一步的，所述的CLA服变换模块中，利用延时寄存器对分量电压化c_alf和化c_ beta分别延时四分之一基波周期，进而得到电压化c_alf_l和化c_beta_l;然后，根据求取 的分量电压Uac_alf和Uac_beta、W及电压Uac_alf_^RUac_beta_l，提取分量电压Uac_alf 和化c_beta的正负序分量，表达式如下：
[0031] 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;^c_pos_beta和化c_neg_be化分别为分量电压化c_beta的正序分量和负序分量。
[0032] 进一步的，根据所述的PA服变换模块中，正序分量化c_pos_alf和化c_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：
[0034] 其中，化(3_9〇3_(1为所述正序分量对应的D分量;化(3_9〇3_9为所述正序分量对应的Q分量。
[0035] 进一步的，所述的正余弦函数模块中利用频率误差(161*_'与采集电压的基准频率 相加得到实时频率测量值9。
[0036]本发明和现有技术相比的有益效果是：
[0037]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CLA服变换、正负序分量的提取、PA服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W，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。
[0038] 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S相软件锁相环 可W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，W较低的成 本设计出自己的专用集成电路。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明实施例中锁相环的原理框图；
[0040] 图2是本发明实施例中CLARK变换可视化编程的逻辑框图；
[0041 ]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；
[0042]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；
[0043] 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】
[0044]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0045] 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、化ARK变换、正负序分量的提取、PA服变换及鉴相环节、计算电压相位的测量 值;具体步骤如下：
[0046]步骤(一）、采集系统中的网侧电压：
[0047] 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1'_3*69加1，在程序任务周期Ts内完成整个程序的采样，W保证所有功 能块都在Ts内按照设定顺序执行一次。
[004引步骤(二KCLARK变换：
[0049]如图1所示，将采样后的系统电压进行CLA服变换，即按照式（1)计算，将采集的S相电压信号转换成两相静止坐标系的分量^c_alf和化c_beta，然后，按照设定的Ts进行周 期性输出;CLA服变换表达式如下：
(1)
[0051]步骤(S)、正负序分量提取：
[0052] 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 11曰(3_日1巧日1]日(3_661日分别延时1/4基波周期电压得到1]日(3_日1;1^_1和1]日(3_661日_1，并利用公式 (2) 实现对分量化c_alf和化c_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：
(2)
[0054]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;^c_pos_beta和化c_neg_be化分别为分量电压化c_beta的正序分量和负序分量。
[0055] 步骤（四）