基于FPGA的二阶广义积分器锁相环研究与实现

２ 基 本原 理
当三 相 电 网 电压 不 平 衡 时 ，为 得 到 正 序 分 量 ， 可 利 用 对 称 分 量 法 提 取 正 序 分 量 ：
ｕＪ ＝ １ ａ１：： ２ ０１ ｆ ＪｌＬ ｕ卜 ｂ ｊｌ ＝ｎ
式 中 ：口 为三 相 电压正序 分量 ； ＝ｅ 。
于 是 得 到 电压 在 两 相 静 止 ａ，卢坐 标 系 下 的 电 压 正 序 分 量 为 ：
并在 ＦＰＧＡ搭 建 的 实验 平 台上 进 行 了验 证 。ＦＰＧＡ 运 行 速 度 快 。易 于 实 现 高 速 的复 杂 逻 辑 ，并 且 支 持 并 行 运 算 。该 方 案 的 运 算 较 为 复 杂 ，为保 证 精 度 采 用 浮 点 运 算 。采 用 了 ＦＰＧＡ 流 水 线 技 术 对 ＩＰ核 进 行 分 时 复用 以节 省 资源 。
Baidu Nhomakorabea
１ 引 言
在 三 相 电 网运 行 中 电 网 电压 易 受 到 污 染 。致 使 三 相 电 网 电压 常 常 伴 随 着 三 相 不 平 衡 、相 位 突 变 、 电 压 跌 落 或 骤 升 、 谐 波 污 染 和 频 率 变 化 【”。 ＰＷＭ 整 流 和 并 网控 制 技 术 中 。需 准 确 获 取 电 网 电 压 相位 信 息 ．因此 需采 用锁 相环 （ＰＬＬ）技术 对 电 网 电压 进 行 锁 相 。 该 ＰＬＬ技 术 要 求 能在 诸 多恶 劣 条 件 下 准 确 提 取 三 相 电 网 电压 的 正序 基 波 分 量 。
ｊｕｍｐ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｔ ｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆ ｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔ ｈｅ ｐｒ ｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ（ＳＯＧＩ），ｓｙｍｍｅｔｒｉ－
ｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｐｏｓｉｔｉｖｅ—ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｒｏｍ ｔ ｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａ ｌ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａ ｌ ，ａ ｎ ｄ ｔｈｅｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｆｏｒｍ￣ｉｏｎ ｖｉａ ＰＩ ａｔ ｔｈｅ ｒｏｔａｔ ｉｎｇ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ ，ｆ ｉｎａｌｌｙ ｇｅｔ ｔｈｅ ａ ｎ ｓｌｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａ１．Ｆｏｒ ｃａｓｅ ｏｆ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａ ｌ ｓｉｇ ｎ ａｌ ｇｅｎｅｒ ａｔｏｒ ｏｆ ＳＯＧＩ ｕｓｉｎｇ ａ ｓａｍｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎ
近 年 来 国 内外 科 研 人 员 提 出 了 一 种 基 于 双 二 阶 广 义 积 分 器 的 锁 相 环 （ＤＳＯＧＩ．ＰＬＬ）结 构 ，作 为 一 种 闭环 ＰＩ工 方 案 能够 在 电 网 电压 不平 衡 、波 形 畸 变 、频 率 跳 动 等 场 合 快 速 且 准 确 地 获 取 正 、负 序 分 量 的 相 位 、频 率 和 幅 值 信 。 在 此 针 对 ＳＯＧＩ 传统结构 中两相 正交信 号发生器性 能由单一 常值 系 数 决 定 的不 足 ，提 出 了双 常 值 系 数 的 改进 结 构 ，
该 改进 方案 的正确 性 。
关键 词 ：二阶 广义积 分器 ；锁 相环 ；滤波 器
中图分类 号：ＴＰ３２１￣．２
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１０００—１００Ｘ（２０１６）０６—００３７—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ Ｓｅｃｏｎｄ Ｏｒｄｅｒ Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ ＰＬＬ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
第 ５０卷 第 ６期 ２０１６ 年 ６ 月
电 力 电 子 技 术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１６
基于 ＦＰＧＡ的二阶广义积分器锁相环研究与实现
吴 明剑 。李 建 春 （北京 航天 控制 仪器研 究所 ，北 京 １０００３９）
摘 要 ：为 了解 决三 相 电网 电压 存在 谐 波 、不 对称 分 量和 频 率 变 动 的复 杂情 况 锁相 问题 ，通 过二 阶 广 义积 分器
ＷＵ Ｍｉｎｇ－ｊｉａｎ．ＬＩ Ｊｉａｎ—ｃｈｕｎ
（Ｂｅ￣ｌ＇ｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａ ｎ ｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
＝
＝
（ＳＯＧＩ）原理 构建 自适 应滤 波器 ，采 用对 称分 量法 提取 基频信 号 中的 正序分 量 ，再变 换到 旋转坐 标系 下 ，通 过 ＰＩ
整 定 出电 网基频信 号 正序 分量 的频率 ，最后 由积 分得到 角度 信息 。针 对传 统 ＳＯＧＩ结构 两相 正交信 号发 生器 使
用 同一个 系 数 的缺 点 ，提 出一种 改 进方 案 ，并 阐述 了现 场 可编 程 门 阵列 （ＦＰＧＡ）的实 现方 法 ，最终 实验 验 证 了
ｉｍｐｒ ｏｖｅｄ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｒ ｏｐ ｏ ｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｐｒｏ￣ａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，
ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ￣ｈｅｍｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆ ｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ；ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋ ｌｏｏｐ；ｆｉｌｔｅｒ