[發明專利]一種基于FPGA的三電平逆變器矢量控制裝置的設計

在審

• 申請號: 201710280305.6
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107181418A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 劉暢;曹昉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于電力系統領域，具體涉及一種基于FPGA的三電平逆變器矢量控制裝置的設計。

背景技術

隨著經濟社會的發展與人類的進步，能源也在漸漸的耗盡，化石燃料的使用給我們帶來物質文明飛速發展的同時，也給我們賴以生存的家園帶來了前所未有的災難。人類文明的進步與能源息息相關，新能源的合理開發與使用，將對能源的質量及數量有很大的提升。人類若想開發這些新能源，需要找到一個轉換器來實現，故逆變器應運而生，特別是三相逆變器。三相逆變器在清潔能源發電中發揮著至關重要的作用，如太陽能發電和風力發電所使用的逆變器，逆變器的作用是將它們產生的直流電變成交流電，可直接為家庭服務，或通過并網技術，通過電網運送到千家萬戶。因三相逆變器的高效節能，諧波輸出少，從而為風電等發電技術提供了有力的支撐。因太陽能與風能等新能源清潔無污染，故開發出可穩定運行且能提供高品質的能源的逆變器就顯得至關重要。

SPWM正弦脈寬調制法是以正弦波為調制波，載波一般為三角波或鋸齒波的一種脈寬調制算法，最初是由學者將通訊系統的調制技術應用到逆變器而產生的，但是因為電力電子開關器件的發展緩慢而未得到及時推進。直到1975年，有學者將SPWM脈寬調制技術正式應用到逆變控制技術中，從而使得逆變器的功能得到了極大的提升，而且得到了廣泛的應用和發展，也使正弦波脈寬調制逆變技術發展到了一個極高的水平。脈寬調制技術具有原理簡單、通用性強、控制和調節性能好的特點，而且具有削弱異常諧波、調節和穩定電壓輸出的多種波形改善作用。自此之后，PWM技術的種類也被開發出多類，比如交直交PWM調制、空間矢量脈寬調制SVPWM，電流跟蹤脈寬調制技術SFPWM等，搖身成為極快開關直交轉換器的主導控制方式。至此，PWM控制技術的發展已幾近完善。

FPGA 器件的現場可編程技術使可編程器件在使用上更為方便，并大大縮短了設計周期，減少了設計費用，降低了設計風險。目前，FPGA器件在電路設計中應用已十分廣泛，已成為電子系統設計的重要手段。其內部有著豐富邏輯資源，是以硬件描述語言對芯片內部的資源進行配置，它實際上是以硬件電路的方式實現算法，因此可實現并行運算，適合對運算速度要求較高的場合。空間矢量脈寬調制算法較為復雜，需對電信號進行實時處理，采樣率高，所以對處理速度要求較高，綜上所述，裝置設計選擇FPGA有很好的可實現性。

一般的三相逆變器能耗較大，應用傳統控制算法導致系統工作效率低下，控制精度有限，無法滿足實際需求。本發明針對三相逆變器控制中的算法優化及減少能耗進行了詳細的分析與研究，通過改進算法節省了芯片資源的占用，提高了整個系統的運行效率，減少了對外圍器件的依賴，在三相逆變器的控制應用方面有著良好的發展前景。

發明內容

本發明的目的是設計一種基于FPGA的三電平逆變器矢量控制裝置，解決當前逆變器應用中控制技術落后，工作效率低下的問題。

為了實現上述發明目的，本發明設計了硬件部分與軟件部分：

硬件部分：主要包括搭載FPGA芯片的控制板，光耦隔離模塊，三相逆變器主電路，采樣調理電路，A/D模塊，通信模塊，與電源模塊。各模塊之間的連接關系為：電源模塊與通信模塊分別與搭載FPGA芯片的控制板相連，電源模塊為控制板供電，控制板通過完成空間矢量脈寬調制算法，將PWM調制信號送入光耦隔離模塊中，光耦隔離模塊對此脈沖信號進行隔離與放大后，變為能夠驅動IGBT的高低壓電平輸送至三相逆變器主電路，通過控制功率開關器件的通斷來輸出交流電壓，為負載供電。同時，采樣調理電路通過采集電壓與電流信號送入A/D模塊，通過對檢測信號進行數模轉換后將其反饋給控制板，實現閉環控制，通信模塊可將采樣信號上傳至上位機進行實時監測。

所述FPGA控制芯片采用Altera公司生產的Cyclone系列的FPGA作為控制核心。

所述電源模塊選用TPS系列的電壓轉化芯片，將5V輸入的電源穩壓出1.2V，3.3V的多路電源。

所述光耦隔離模塊選用6N137系列隔離芯片，處理控制板上輸出的電信號。

所述通信模塊選用RS232串口通信模塊，便于與上位機通訊，增強可擴展性。

所述A/D轉換模塊選用AD7705芯片，將輸入的電信號轉換為數字信號。

所述三相逆變器主電路采用經典的三相全橋逆變電路，并選用快恢復型二極管續流。

所述采樣調理電路采用霍爾傳感器來采樣輸出交流電壓、電流信號。