基于FPGA的逆變控制系統的研究

摘要：在研究Delta變換型UPS拓撲結構的基礎上，通過(guò)改進(jìn)逆變器的控制方法，提出了一種基于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的SPWM控制器實(shí)現方案。該控制器具有載波、調制波的頻率和幅度均可在線(xiàn)調節，死區時(shí)間可預置，并具有閉環(huán)調節功能等特點(diǎn)。整個(gè)電路通過(guò)FPGA芯片實(shí)現，采用硬件描述語(yǔ)言(VHDL)與原理圖輸入相結合的方法，完成了整個(gè)功能模塊的設計，使得控制系統更加簡(jiǎn)單可靠。對所設計的控制器進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真，仿真結果驗證了設計的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：Delta變換型UPS；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；正弦脈寬調制；逆變器

0 引言
UPS(Uninterrupted Power Suapply)又稱(chēng)為不間斷電源，它通常被置于市電電網(wǎng)和用電負載之間，其目的是改善對負載的供電質(zhì)量，并在市電故障時(shí)，保證負載設備的正常運行。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種全新的UPS拓撲被提出，即Delta變換型UPS。這種UPS由兩個(gè)變換器構成，既保留了傳統在線(xiàn)式UPS的全部在線(xiàn)功能和輸出電壓高質(zhì)量，又使得很多關(guān)鍵性能指標得到改善，不僅消除了對電網(wǎng)的污染，更重要的是輸出能力高、可靠性強，可以說(shuō)是目前比較理想的UPS系統。
除了主功率拓撲以外，UPS的控制部分對其整體性能的影響也是至關(guān)重要的。當今逆變控制器多以通用微處理器(DSP／MCU)為核心進(jìn)行全數字化控制，這種以軟件為主的方案較大程度上依賴(lài)于微處理器的性能，從而限制了逆變器性能的發(fā)揮。FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性強、靈活的程序設計等特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了控制系統結構，并可實(shí)現多種高速算法，具有較高的性?xún)r(jià)比。與由純軟件控制的數字系統相比，它用硬件連線(xiàn)實(shí)現算法，加快了運算速度，可以實(shí)現真正意義上的并行計算，提高了系統抗干擾性能。為此，近幾年來(lái)逆變控制器的FPGA實(shí)現技術(shù)的研究越來(lái)越受到關(guān)注，已成為逆變控制器發(fā)展的新方向之一。

1 Delta變換型UPS的結構
Delta變換型UPS主要由Delta變壓器、Delta逆變器、主逆變器、主靜態(tài)開(kāi)關(guān)、旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)、輸入／輸出濾波器及蓄電池組等部分構成(見(jiàn)圖1)。Delta逆變器通過(guò)Delta變壓器串聯(lián)在市電電源與負載之間，其容量約為系統總容量的20％，主逆變器并聯(lián)在系統輸出端，其容量等于UPS系統容量。當輸入電源電壓波動(dòng)小于±15％，頻率波動(dòng)小于±3％時(shí)，由Delta逆變器和市電電源共同對負載供電，其穩壓精度為±1％(其中85％～100％來(lái)自市電電源，0％～15％來(lái)自Delta逆變器)；當輸入電源超過(guò)上述電壓和頻率范圍時(shí)，系統轉入蓄電池供電方式，由主逆變器為負載提供100％的不間斷純凈正弦波電源。市電正常時(shí)，Delta逆變器只需補償與市電電壓和系統輸出電壓差有關(guān)的功率，故損耗小，效率高，功率余量大，過(guò)載能力強。