基于FPGA的逆變控制系統(tǒng)的研究

摘要：在研究Delta變換型UPS拓撲結構的基礎上，通過改進逆變器的控制方法，提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的SPWM控制器實現(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)時間可預置，并具有閉環(huán)調(diào)節(jié)功能等特點。整個電路通過FPGA芯片實現(xiàn)，采用硬件描述語言(VHDL)與原理圖輸入相結合的方法，完成了整個功能模塊的設計，使得控制系統(tǒng)更加簡單可靠。對所設計的控制器進行了功能和時序仿真，仿真結果驗證了設計的正確性和可行性。
關鍵詞：Delta變換型UPS；現(xiàn)場可編程門陣列；正弦脈寬調(diào)制；逆變器

0 引言
UPS(Uninterrupted Power Suapply)又稱為不間斷電源，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量，并在市電故障時，保證負載設備的正常運行。隨著電力電子技術的發(fā)展，一種全新的UPS拓撲被提出，即Delta變換型UPS。這種UPS由兩個變換器構成，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量，又使得很多關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，可以說是目前比較理想的UPS系統(tǒng)。
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重要的。當今逆變控制器多以通用微處理器(DSP／MCU)為核心進行全數(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，大大簡化了控制系統(tǒng)結構，并可實現(xiàn)多種高速算法，具有較高的性價比。與由純軟件控制的數(shù)字系統(tǒng)相比，它用硬件連線實現(xiàn)算法，加快了運算速度，可以實現(xiàn)真正意義上的并行計算，提高了系統(tǒng)抗干擾性能。為此，近幾年來逆變控制器的FPGA實現(xiàn)技術的研究越來越受到關注，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)開關、旁路靜態(tài)開關、輸入／輸出濾波器及蓄電池組等部分構成(見圖1)。Delta逆變器通過Delta變壓器串聯(lián)在市電電源與負載之間，其容量約為系統(tǒng)總容量的20％，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。當輸入電源電壓波動小于±15％，頻率波動小于±3％時，由Delta逆變器和市電電源共同對負載供電，其穩(wěn)壓精度為±1％(其中85％～100％來自市電電源，0％～15％來自Delta逆變器)；當輸入電源超過上述電壓和頻率范圍時，系統(tǒng)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，Delta逆變器只需補償與市電電壓和系統(tǒng)輸出電壓差有關的功率，故損耗小，效率高，功率余量大，過載能力強。