一種基於fpga的鏈式statcom載波移相脈寬調製裝置的製作方法

2023-12-01 13:33:56 1

專利名稱：一種基於fpga的鏈式statcom載波移相脈寬調製裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多電平級聯鏈式STATCOM系統，特別涉及一種基於FPGA的鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置。
技術背景 靜止同步補償器(STATCOM)是一種新型的基於大功率換流器技術的靜止無功補償裝置，在運行時相當於一個輸出電壓相位和幅值均可調的三相交流電源，通過控制其輸出電壓的幅值以及相對於系統電壓的相位即可控制其發出或吸收無功，從而提高電網功率因素，穩定電網電壓，減小電網損耗。大容量STATCOM多採用多電平級聯結構，其基本單元為H橋逆變電路，單元模塊電路拓撲如圖I所示；多個H橋逆變單元模塊級聯，通過電抗接入電網，STATCOM系統電路拓撲如圖2所示。與變壓器多重化方案相比，該結構無需變壓器即可並接於電網，其成本低，裝置損耗小，佔地面積小，無變壓器非線性問題，易於實現冗餘及模塊化生產，可大大提高裝置的可靠性。由於多電平級聯鏈式STATCOM的脈衝寬度調製(PWM)技術不僅決定多電平逆變器的實現與否，而且對多電平逆變器的輸出電壓波形質量、系統損耗的減少與效率的提高有直接影響，因此需選用一種合適的PWM調製方法。載波移相脈寬調製(CPS-SPWM)技術是一種適用於大功率電力開關變流器的優秀調製策略，其基本原理是用同一調製波與M個相位均勻移動的三角載波分別進行二邏輯SPWM，得到M個二邏輯SPWM波形，這些波形疊加起來構成一個2M+1邏輯的CPS-SPWM波形。級聯逆變器在CPS-SPWM調製下可獲得階梯式多電平輸出，該電壓波形更接近正弦，在不提高各電力電子器件開關頻率的情況下大大減小了輸出諧波，顯著改善了輸出波形質量。圖3所示為單相兩單元情況的波形原理圖，由圖可知，共需要4個三角載波，形成5電平輸出波形。現有技術鏈式STATCOM控制中，PWM的產生都是由單片機或DSP來產生多路SPWM信號，CPS-SPWM技術能夠在較低的器件開關頻率下實現較高等效開關頻率的效果，因而具有良好的諧波特性，但該技術使控制系統更加複雜，計算量大大增大，對其控制晶片提出了更高的要求。傳統的控制晶片已經不能滿足發展的需要，特別是對於基於載波移相的多路SPWM技術，由單片機或DSP來產生多路SPWM信號最多只能輸出12路，已不能滿足大容量多電平級聯鏈式STATCOM系統的控制要求。現場可編程門陣列(FPGA)的集成度很高，其器件密度從數萬門到數千萬門不等，可以完成極其複雜的時序與組合邏輯電路功能，同時具有現場可編程、開發周期短、可移植、通用性強、易擴展等特點。在級聯型多電平CPS-SPWM的實現方面具有其他器件所無法比擬的獨特優勢。

實用新型內容本實用新型的目的在於提出一種鏈式STATCOM逆變器控制裝置，通過FPGA晶片控制並產生多路SPWM波形。該裝置可產生多路SPWM波形，通過實時調節輸出PWM波的脈衝寬度與開關頻率，實現無功功率動態補償。該裝置可獨立工作，亦可與DSP等上位機協同工作，還可作為IP核嵌入到其他系統中。既克服了現有技術的不足，亦節省了晶片資源，提高了晶片工作效率。為實現上述實用新型目的可按以下方案來實現，一種基於FPGA的鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置，如圖5所示，裝置包括以下功能模塊AD採樣數據處理模塊3，通過總線7，向載波移相脈寬調製模塊I提供網側電壓電流數據。母線電壓處理模塊5向直流側電壓平衡控制模塊2提供直流母線電壓數據。故障信息處理模塊4，通過總線7向上位機以及載波移相脈寬調製模塊I提供故障信息，例如過
溫信息、通信故障信息。載波移相脈寬調製模塊1，採用基於水平載波移相的間接電流控制算法，從網側採集網側電壓電流數據，從直流側電壓平衡調製模塊2輸出佔空比調整信息，產生開關頻率 以及脈衝寬度可調的PWM波，通過光纖通信模塊6輸出，從而控制STATCOM逆變橋中各電力電子器件的導通與關斷。根據本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，可適用於多電平級聯鏈式STATCOM系統，如圖4所示。其單元模塊基本結構為H橋逆變電路，直流側儲能元件為電容元件，如圖I所示；多個H橋逆變單元模塊經串聯後，通過連接電抗接入電網，如圖2所示。本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，採用水平載波移相方式，其基本控制策略為a)系統不需補償無功功率時，在載波移相脈寬調製裝置的控制下，STATCOM系統側輸出電壓將實時跟蹤電網電壓幅值與相位；b) 系統需要補償無功功率時，將所需補償無功功率的輸出調整量與直流側電容電壓平衡控制的輸出調整量，如圖6所示，按照一定比例關係相累加，進過CPS-SPWM調節模塊，從而輸出脈衝寬度實時可調的PWM波，達到補償無功功率的目的。本實用新型所述的載波移相脈衝調製裝置中，其光纖通信模塊具有兩部分功能，一方面實現故障信息與電壓信息接收功能，另一方面可實現PWM波發送功能。本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，採用自頂向下(Top-dowm)的模塊化設計方法，對各個單元模塊進行設計，最終綜合出的頂層模塊可獨立工作，亦可與DSP等上位機協同工作，還可作為IP核嵌入到其他系統。本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，其輸出PWM波不僅脈衝寬度可實時調節，當需修正開關頻率時，可通過改變入口參數，裝置進行在線運算，還可得到開關頻率可調的PWM波。類似的，STATCOM系統併網運行鏈節數亦可通過改變入口參數，實現實時調節的目的。本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，將光纖通信模塊輸出的故障信息與系統復位信息以及運行狀態信息進行組合邏輯，可實現故障實時監測，最大化的保護系統安全穩定運行。若STATCOM系統運行過程中出現一個或幾個單元模塊出現故障，該裝置可將其自動旁路，不影響其他單元逆變橋模塊工作；在STATCOM系統發生過溫、過載或直流側電壓過高，該裝置能在2個控制周期內發出脈衝封鎖信號，閉鎖各個單元逆變橋模塊。圖6是根據本實用新型STATCOM間接電流控制方式原理框圖。根據系統所需補償無功功率大小可得與電網電壓同相位的分量用來表示；直流側電壓平衡調節器輸出調製量用來表不。圖7為根據本實用新型的載波移相脈寬調製功能實現圖。基於載波移相脈寬調製的功能要求，圖5所示的基於FPGA的模塊化設計劃分框圖。通過預設正弦波數據表，由於，在每次查找正弦波數據表時同時完成對應幅值與相位的查找計算，即可得到載波移相算法中的正弦調製波；通過時鐘周期與載波比的匹配，可在線實時運算得到三角波數據，設三角波幅值為trimax,則有tri_max=10ms/ (T*N),即可得到載波移相算法中的三角載波。為實現調製度可調，正弦波數據需按照做出修正，原三角波數據保持不變；為實現鏈節數可調，則三角波數據的起始值計算按照(tri_max/M)*K進行原始,其中K表示第K路三角波載波，原正弦波數據表保持不變。為實現直流側電壓平衡控制，將當前直流側電壓平衡控制輸出的調整量與相疊力口。設最終用於SPWM調製的正弦調製波為sin_data，則有(圖8)，三角載波為tri_data，·按照SPWM調製方法，在，輸出開通信號；在，輸出關斷信號。如圖8所示，按照上述實施方式可實現載波移相脈衝寬度實時調製。將光纖通信模塊輸出的故障信息與系統復位信息以及運行狀態信息進行組合邏輯運算，其運算規則為系統復位信號優先級最高，以及若系統復位信號有效，在當前控制周期內發出系統脈衝封鎖信號，將所有逆變橋單元模塊閉鎖；系統過溫、過壓以及過流等重故障信息優先級次之，若重故障信號有效，在下一個控制周期內發出系統脈衝封鎖信號，將所有逆變橋單元模塊閉鎖；若出現某個單元模塊故障現象，則在下一個控制周期內將該單元模塊旁路。通過verilog或者VHDL語言進行編程，可實現上述所有算法，將所建立的工程文件進過綜合以及布局布線以後，下載至FPGA晶片，便可實現基於FPGA的載波移相脈寬調製相關功能。本實用新型的有益效果可以完成極其複雜的時序與組合邏輯電路功能，同時具有現場可編程、開發周期短、可移植、通用性強、易擴展等特點。

附圖I、單元模塊電路拓撲示意圖，附圖2、STATCOM系統電路拓撲示意圖，附圖3、2單元5電平水平載波移相原理圖，附圖4、載波移相脈寬調製裝置在多電平級聯鏈式STATCOM系統中應用示意圖，附圖5、鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置結構示意圖，附圖6是根據本實用新型STATCOM間接電流控制方式原理框圖，附圖7、本實用新型的載波移相脈寬調製功能實現圖，附圖8、本實用新型的載波移相脈衝寬度調製原理示意圖。
具體實施方式
一種基於FPGA的鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置，如圖5所示，裝置包括以下功能模塊[0035]AD採樣數據處理模塊3，通過總線7，向載波移相脈寬調製模塊I提供網側電壓電流數據。母線電壓處理模塊5向直流側電壓平衡控制模塊2提供直流母線電壓數據。故障信息處理模塊4，通過總線7向上位機以及載波移相脈寬調製模塊I提供故障信息，例如過
溫信息、通信故障信息。載波移相脈寬調製模塊1，採用基於水平載波移相的間接電流控制算法，從網側採集網側電壓電流數據，從直流側電壓平衡調製模塊2輸出佔空比調整信息，產生開關頻率以及脈衝寬度可調的PWM波，通過光纖通信模塊6輸出，從而控制STATCOM逆變橋中各電力電子器件的導通與關斷。根據本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，可適用於多電平級聯鏈式STATCOM系統，如圖4所示。其單元模塊基本結構為H橋逆變電路，直流側儲能元件為電容元件，如圖I所示；多個H橋逆變單元模塊經串聯後，通過連接電抗接入電網，如圖2所示。本實用新型所述的載波移相脈寬調製裝置，採用水平載波移相方式，其基本控制 策略為a)系統不需補償無功功率時，在載波移相脈寬調製裝置的控制下，STATCOM系統側輸出電壓將實時跟蹤電網電壓幅值與相位；b)系統需要補償無功功率時，將所需補償無功功率的輸出調整量與直流側電容電壓平衡控制的輸出調整量，如圖6所示，按照一定比例關係相累加，進過CPS-SPWM調節模塊，從而輸出脈衝寬度實時可調的PWM波，達到補償無功功率的目的。
權利要求1.一種基於FPGA的鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置，包括以下功能模塊AD採樣數據處理模塊(3)，通過總線(7)，向載波移相脈寬調製模塊(I)提供網側電壓電流數據，母線電壓處理模塊(5)向直流側電壓平衡控制模塊(2)提供直流母線電壓數據，故障信息處理模塊(4)，通過總線(7)向上位機以及載波移相脈寬調製模塊(I)提供故障信息，載波移相脈寬調製模塊(I)，採用基於水平載波移相的間接電流控制算法，從網側採集網側電壓電流數據，從直流側電壓平衡調製模塊(2)輸出佔空比調整信息，產生開關頻率以及脈衝寬度可調的PWM波，通過光纖通信模塊(6)輸出 ，從而控制STATCOM逆變橋中各電力電子器件的導通與關斷。
專利摘要本實用新型涉及一種基於FPGA的鏈式STATCOM載波移相脈寬調製裝置，包括AD採樣數據處理模塊(3)，通過總線(7)，向載波移相脈寬調製模塊(1)提供網側電壓電流數據，母線電壓處理模塊(5)向直流側電壓平衡控制模塊(2)提供直流母線電壓數據，故障信息處理模塊(4)，通過總線(7)向上位機以及載波移相脈寬調製模塊(1)提供故障信息，載波移相脈寬調製模塊(1)，從網側採集網側電壓電流數據，從直流側電壓平衡調製模塊(2)輸出佔空比調整信息，產生開關頻率以及脈衝寬度可調的PWM波，通過光纖通信模塊(6)輸出，具有同時具有現場可編程、開發周期短、可移植、通用性強、易擴展等特點。
文檔編號H02J3/18GK202696155SQ201120475979
公開日2013年1月23日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者楊立軍, 楊婷, 鄒積勇, 楊志, 薛恆懷, 吳新兵, 季石斌 申請人:江蘇威凡智能電氣科技有限公司