基于FPGA的逆變控制系統(tǒng)的研究

摘要：在研究Delta變換型UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)逆變器的控制方法，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的SPWM控制器實(shí)現(xiàn)方案。該控制器具有載波、調(diào)制波的頻率和幅度均可在線調(diào)節(jié)，死區(qū)時(shí)間可預(yù)置，并具有閉環(huán)調(diào)節(jié)功能等特點(diǎn)。整個(gè)電路通過(guò)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，采用硬件描述語(yǔ)言(VHDL)與原理圖輸入相結(jié)合的方法，完成了整個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，使得控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：Delta變換型UPS；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；正弦脈寬調(diào)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(fù)載之間，其目的是改善對(duì)負(fù)載的供電質(zhì)量，并在市電故障時(shí)，保證負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種全新的UPS拓?fù)浔惶岢?，即Delta變換型UPS。這種UPS由兩個(gè)變換器構(gòu)成，既保留了傳統(tǒng)在線式UPS的全部在線功能和輸出電壓高質(zhì)量，又使得很多關(guān)鍵性能指標(biāo)得到改善，不僅消除了對(duì)電網(wǎng)的污染，更重要的是輸出能力高、可靠性強(qiáng)，可以說(shuō)是目前比較理想的UPS系統(tǒng)。
除了主功率拓?fù)湟酝猓琔PS的控制部分對(duì)其整體性能的影響也是至關(guān)重要的。當(dāng)今逆變控制器多以通用微處理器(DSP／MCU)為核心進(jìn)行全數(shù)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(qiáng)、靈活的程序設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并可實(shí)現(xiàn)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(shù)字系統(tǒng)相比，它用硬件連線實(shí)現(xiàn)算法，加快了運(yùn)算速度，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行計(jì)算，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。為此，近幾年來(lái)逆變控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)
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(gòu)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(fù)載之間，其容量約為系統(tǒng)總?cè)萘康?0％，主逆變器并聯(lián)在系統(tǒng)輸出端，其容量等于UPS系統(tǒng)容量。當(dāng)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(duì)負(fù)載供電，其穩(wěn)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(dāng)輸入電源超過(guò)上述電壓和頻率范圍時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入蓄電池供電方式，由主逆變器為負(fù)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(bǔ)償與市電電壓和系統(tǒng)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(qiáng)。