在小型水電站中，速度調(diào)節(jié)控制裝置是保證發(fā)電機(jī)輸出頻率和幅值穩(wěn)定的核心關(guān)鍵控制部件，測速傳感器構(gòu)成負(fù)反饋進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。對并網(wǎng)機(jī)組，發(fā)電頻率與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持固定關(guān)系，如當(dāng)發(fā)電頻率為50Hz時，轉(zhuǎn)速為3000r/min，經(jīng)長期觀察發(fā)現(xiàn)，對調(diào)速穩(wěn)頻運行過程中，調(diào)速波動量和次數(shù)不如頻率量值穩(wěn)定和平滑。

若將頻率信號引入調(diào)速穩(wěn)頻，會有效地減少調(diào)節(jié)次數(shù)，減少考核誤差，提高機(jī)組穩(wěn)定性。原測頻技術(shù)采用測周測頻法，即利用正弦信號過零處的極性變化，產(chǎn)生過零脈沖，作為CPU中斷信號，由內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)測周測頻，每周測頻一次?，F(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）具有極優(yōu)數(shù)字控制和計數(shù)器自由設(shè)計功能，用戶可通過編程，實現(xiàn)硬件功能軟件化設(shè)計。

文中涉及的半周期精確測頻全部由單片F(xiàn)PGA實現(xiàn)，達(dá)到每周測頻兩次，為更快地穩(wěn)速穩(wěn)頻建立了良好的反饋信號源。

1 半周測頻原理

預(yù)處理電路沿用已有的互感器、濾波和比較器電路，只在比較器的負(fù)極端增加直流偏置電壓Vref，輸出矩形波為FV，直接接入FPGA，預(yù)處理電路見圖1。Vref為1V左右，以克服測量電壓過零處噪聲對測頻精度的影響。

圖1 預(yù)處理電路原理圖

在FPGA內(nèi)部先對FV緩沖形成FA，取反形成FB，F(xiàn)A、FB互為非邏輯關(guān)系。FA和FB分別作為兩個計數(shù)器A、B的門控信號，計數(shù)器A只對正半周計數(shù)，計數(shù)器B只對負(fù)半周計數(shù)，每過半個周期，本次計數(shù)器的計數(shù)值與另一計數(shù)值相加后輸出，即為當(dāng)前測頻計數(shù)值，依次循環(huán)，就形成半周測頻。半周測頻原理如圖2所示。

圖2 半周測頻原理圖

圖2中，系統(tǒng)時鐘sys_CLK選20MHz，經(jīng)2分頻整形后作時鐘控制源和計數(shù)填充脈沖源。FA、FB為方波信號，互為非邏輯，計數(shù)器A、B為18位二進(jìn)制計數(shù)器，鎖存器A、B對每個半周的計數(shù)值鎖存，相加后輸出，控制模塊A、B按時序要求產(chǎn)生鎖存器所需的鎖存脈沖STA、STB和計數(shù)器異步清零脈沖RSTA、RSTB。STA用于鎖存計數(shù)器B的數(shù)值，STB用于鎖存計數(shù)器A的數(shù)值，STA、STB上升沿有效；RSTA對計數(shù)器B異步清零，為下次計數(shù)做好準(zhǔn)備，RSTB對計數(shù)器A異步清零，為下次計數(shù)做好準(zhǔn)備，RSTA、RSTB高電平有效。具體FPGA時序控制圖如圖3所示。

其工作原理為：FA信號為計數(shù)器A的使能信號，高電平開始計數(shù)，低電平停止計數(shù)。當(dāng)?shù)谝粋€FA下降沿結(jié)束時，計數(shù)器A停止計數(shù)，記錄的值為A1。STB觸發(fā)脈沖把A1值存入鎖存器A中，RSTB脈沖對計數(shù)器A異步清零，為下次計數(shù)做好準(zhǔn)備，當(dāng)FA變高時開始下一個半周計數(shù)，第二個下降沿結(jié)束時，計數(shù)值為A2，鎖存值為A2，隨著FA變化，分別記錄A3、A4、…、An，依次類推，每個值為當(dāng)前1/2周期的值，持續(xù)時間卻是一個整周期。

對FB支路與FA相同，也分別記錄B0、B1、B2、…、Bn，依次類推，同樣每個值為當(dāng)前1/2周期的值，持續(xù)時間是一個整周期。因FA與FB互為非邏輯，F(xiàn)B比FA有1/2周期時間延遲，對應(yīng)的計數(shù)值也有1/2周期的延遲，A0、B0為初設(shè)值，從A1、B1之后均為實際測量值，這樣每過1/2周期鎖存的A值或B值更新一次，在加法器的輸出就形成每過1/2周期，頻率計數(shù)值更新一次，即實現(xiàn)了1/2周期測頻的功能。

圖3 FPGA時序控制圖

2 計數(shù)頻率的選定

按設(shè)計要求，中心頻率f =50Hz，頻偏◆f=±5Hz，測頻分辨率為0.001Hz。對測頻范圍是45.000～55.000Hz的信號，為確保0.001Hz的分辨率，采用10MHz作為計數(shù)脈沖。以最小頻率45Hz為例，其計數(shù)值為N=10MHz/45Hz=222222，轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制為0x3640E，所以，選18位計數(shù)器（0x3FFFF）進(jìn)行計數(shù)。填充時鐘fn=10MHz，選幾個測量頻率點，對應(yīng)的計數(shù)值和計算頻率值見表1。

對求得的頻率值最后一位做四舍五入就與設(shè)定的理論值相同，達(dá)到頻偏◆f=±5Hz分辨率為0.001的指標(biāo)要求。

表1 頻率范圍與對應(yīng)計數(shù)值

3 FPGA的設(shè)計及仿真

3.1 FPGA的設(shè)計

在FPGA設(shè)計中，主要有四大模塊：

• ①帶使能和異步清零的18位二進(jìn)制計數(shù)器，F(xiàn)A、FB做計數(shù)器的使能信號，控制計數(shù)器的計數(shù)開始或停止，RSTA、RSTB作異步清零，高電平有效，計數(shù)時鐘選10MHz的脈沖信號源；
• ②帶鎖存脈沖的18位鎖存器，STA、STB為觸發(fā)脈沖，上升沿有效；
• ③兩個控制模塊完成特定的時序電路，當(dāng)FA或FB信號變?yōu)楦唠娖綍r，經(jīng)1個時鐘周期延遲產(chǎn)生觸發(fā)脈沖STA、STB，經(jīng)5個時鐘周期延遲產(chǎn)生異步清零RSTA、RSTB，時序參考圖4，其中RSTA、STA用于計數(shù)器B異步清零和鎖存器B寫入，RSTB、STB用于計數(shù)器A異步清零和鎖存器A寫入；
• ④帶輸出使能的18位二進(jìn)制加法器，輸出使能nOE低有效，高電平時輸出高阻，實現(xiàn)與CPU總線訪問通信。

3.2 FPGA的仿真

在FPGA仿真中，sys_RST為系統(tǒng)異步清零，sys_CLK為系統(tǒng)時鐘，F(xiàn)V為電壓方波，參考圖1，RSTA、STA信號由FA方波產(chǎn)生的控制信號，用于FB方波期間的異步清零和計數(shù)器鎖存，同理，RSTB、STB信號由FB方波產(chǎn)生的控制信號，用于FA方波期間的異步清零和計數(shù)器鎖存，F(xiàn)VA為FA半波的計數(shù)鎖存值，F(xiàn)VB為FB半波的計數(shù)鎖存值，F(xiàn)V_out為每半周期的計數(shù)鎖存輸出值。

其中，為加速仿真，設(shè)FA、FB周期為2ms，整體仿真結(jié)果如圖5所示。RSTA、STA信號仿真結(jié)果如圖6所示。RSTB、STB信號仿真與RSTA、STA信號仿真相同。

圖4 STA/STB與RSTA/RSTB邏輯控制時序圖

圖5 仿真結(jié)果

圖6 RSTA、STA控制信號仿真圖

在圖5中，sys_RST對CNA、CNB進(jìn)行異步清零，然后CNA在FA為高時計數(shù)，在FA變低時停止計數(shù)，由STB將CNA計數(shù)值鎖存到FVA，由RSTB異步清零，為FA下次變高計數(shù)做好準(zhǔn)備。

同理，CNB在FB為高時計數(shù)，在FB變低時停止計數(shù)，由STA將計數(shù)值CNB鎖存到FVB，由RSTA異步清零，為FB下次變高計數(shù)做好準(zhǔn)備；依次循環(huán)。FVA隨FA每周期變化一次，F(xiàn)VB隨FB每周期變化一次，而合成的FV_out隨FVA或FVB的變化而變化，這就形成了FV_out每個半周期輸出一組計數(shù)頻率值。

其次，nOE為輸出使能信號，當(dāng)nOE信號為高電平時，F(xiàn)V_out正常輸出，當(dāng)nOE信號為低電平時，F(xiàn)V_out高阻輸出，這就很容易與CPU相連接；最后，一旦FV發(fā)生丟失，F(xiàn)V_out會一致保持上一次的測量頻率計數(shù)值，而當(dāng)FV恢復(fù)正常時，頻率測量則恢復(fù)正常測試。

在圖6中，根據(jù)圖4中的控制邏輯時序要求，在FA變高后第1個時鐘產(chǎn)生STA，在第5個時鐘周期，產(chǎn)生RSTA，脈寬3個時鐘周期，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的正確性。同理，對因FB產(chǎn)生的STB、RSTB信號，仿真結(jié)果相同。

總之，仿真結(jié)果表明，F(xiàn)PGA設(shè)計實現(xiàn)了基于圖2所描述的半周期測頻功能。

結(jié)論

水力發(fā)電多采用轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行穩(wěn)速穩(wěn)頻策略，理論上在50Hz頻點上對應(yīng)3000r/min。但因電網(wǎng)存在緩變頻移或負(fù)荷變化，在對電網(wǎng)頻率進(jìn)行跟蹤的同時，需對發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)輸出頻率做出必要調(diào)整。在長時間運行觀察中，頻率信號穩(wěn)定性明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)速信號，引入頻率信號反饋，實施一次調(diào)頻過程，明顯減少無效調(diào)節(jié)次數(shù)，提高機(jī)組的穩(wěn)定性，減少考核誤差。

將此測頻技術(shù)取代原測頻部件，因頻率測量信號反饋速率提高一倍，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，整體運行指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)運行的考核指標(biāo)。