CN202696155U - 一种基于fpga的链式statcom载波移相脉宽调制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置，包括AD采样数据处理模块(3)，通过总线(7)，向载波移相脉宽调制模块(1)提供网侧电压电流数据，母线电压处理模块(5)向直流侧电压平衡控制模块(2)提供直流母线电压数据，故障信息处理模块(4)，通过总线(7)向上位机以及载波移相脉宽调制模块(1)提供故障信息，载波移相脉宽调制模块(1)，从网侧采集网侧电压电流数据，从直流侧电压平衡调制模块(2)输出占空比调整信息，产生开关频率以及脉冲宽度可调的PWM波，通过光纤通信模块(6)输出，具有同时具有现场可编程、开发周期短、可移植、通用性强、易扩展等特点。

Description

一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置

技术领域

  本实用新型涉及一种多电平级联链式STATCOM系统，特别涉及一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置。

背景技术

 静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型的基于大功率换流器技术的静止无功补偿装置，在运行时相当于一个输出电压相位和幅值均可调的三相交流电源，通过控制其输出电压的幅值以及相对于系统电压的相位即可控制其发出或吸收无功，从而提高电网功率因素，稳定电网电压，减小电网损耗。大容量 STATCOM 多采用多电平级联结构，其基本单元为H桥逆变电路，单元模块电路拓扑如图1所示；多个H桥逆变单元模块级联，通过电抗接入电网，STATCOM系统电路拓扑如图2所示。与变压器多重化方案相比，该结构无需变压器即可并接于电网，其成本低，装置损耗小，占地面积小，无变压器非线性问题，易于实现冗余及模块化生产，可大大提高装置的可靠性。

由于多电平级联链式STATCOM的脉冲宽度调制(PWM)技术不仅决定多电平逆变器的实现与否，而且对多电平逆变器的输出电压波形质量、系统损耗的减少与效率的提高有直接影响，因此需选用一种合适的PWM调制方法。载波移相脉宽调制（CPS-SPWM）技术是一种适用于大功率电力开关变流器的优秀调制策略，其基本原理是用同一调制波与M个相位均匀移动的三角载波分别进行二逻辑SPWM，得到M个二逻辑SPWM波形，这些波形叠加起来构成一个 2M+1逻辑的CPS-SPWM波形。级联逆变器在CPS-SPWM调制下可获得阶梯式多电平输出，该电压波形更接近正弦，在不提高各电力电子器件开关频率的情况下大大减小了输出谐波，显著改善了输出波形质量。图 3所示为单相两单元情况的波形原理图，由图可知，共需要4个三角载波，形成5电平输出波形。

现有技术链式STATCOM控制中，PWM的产生都是由单片机或DSP来产生多路SPWM信号，CPS-SPWM技术能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，因而具有良好的谐波特性，但该技术使控制系统更加复杂，计算量大大增大，对其控制芯片提出了更高的要求。传统的控制芯片已经不能满足发展的需要，特别是对于基于载波移相的多路SPWM技术，由单片机或DSP来产生多路SPWM信号最多只能输出12路，已不能满足大容量多电平级联链式STATCOM系统的控制要求。

现场可编程门阵列(FPGA)的集成度很高，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，同时具有现场可编程、开发周期短、可移植、通用性强、易扩展等特点。在级联型多电平CPS-SPWM的实现方面具有其他器件所无法比拟的独特优势。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种链式STATCOM逆变器控制装置，通过FPGA芯片控制并产生多路SPWM波形。该装置可产生多路SPWM波形，通过实时调节输出PWM波的脉冲宽度与开关频率，实现无功功率动态补偿。该装置可独立工作，亦可与DSP等上位机协同工作，还可作为IP核嵌入到其他系统中。既克服了现有技术的不足，亦节省了芯片资源，提高了芯片工作效率。

为实现上述实用新型目的可按以下方案来实现，一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置，如图5所示，装置包括以下功能模块：

AD采样数据处理模块3，通过总线7，向载波移相脉宽调制模块1提供网侧电压电流数据。母线电压处理模块5向直流侧电压平衡控制模块2提供直流母线电压数据。故障信息处理模块4，通过总线7向上位机以及载波移相脉宽调制模块1提供故障信息，例如过温信息、通信故障信息。

载波移相脉宽调制模块1，采用基于水平载波移相的间接电流控制算法，从网侧采集网侧电压电流数据，从直流侧电压平衡调制模块2输出占空比调整信息，产生开关频率以及脉冲宽度可调的PWM波，通过光纤通信模块6输出，从而控制STATCOM逆变桥中各电力电子器件的导通与关断。

根据本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，可适用于多电平级联链式STATCOM系统，如图4所示。其单元模块基本结构为H桥逆变电路，直流侧储能元件为电容元件，如图1所示；多个H桥逆变单元模块经串联后，通过连接电抗接入电网，如图2所示。

本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，采用水平载波移相方式，其基本控制策略为：

a) 系统不需补偿无功功率时，在载波移相脉宽调制装置的控制下，STATCOM系统侧输出电压将实时跟踪电网电压幅值与相位；

b)    系统需要补偿无功功率时，将所需补偿无功功率的输出调整量与直流侧电容电压平衡控制的输出调整量，如图6所示，按照一定比例关系相累加，进过CPS-SPWM调节模块，从而输出脉冲宽度实时可调的PWM波，达到补偿无功功率的目的。

本实用新型所述的载波移相脉冲调制装置中，其光纤通信模块具有两部分功能，一方面实现故障信息与电压信息接收功能，另一方面可实现PWM波发送功能。

本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，采用自顶向下(Top-dowm)的模块化设计方法，对各个单元模块进行设计，最终综合出的顶层模块可独立工作，亦可与DSP等上位机协同工作，还可作为IP核嵌入到其他系统。

本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，其输出PWM波不仅脉冲宽度可实时调节，当需修正开关频率时，可通过改变入口参数，装置进行在线运算，还可得到开关频率可调的PWM波。类似的，STATCOM系统并网运行链节数亦可通过改变入口参数，实现实时调节的目的。

本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，将光纤通信模块输出的故障信息与系统复位信息以及运行状态信息进行组合逻辑，可实现故障实时监测，最大化的保护系统安全稳定运行。若STATCOM系统运行过程中出现一个或几个单元模块出现故障，该装置可将其自动旁路，不影响其他单元逆变桥模块工作；在STATCOM系统发生过温、过载或直流侧电压过高，该装置能在2个控制周期内发出脉冲封锁信号，闭锁各个单元逆变桥模块。

图6是根据本实用新型STATCOM间接电流控制方式原理框图。根据系统所需补偿无功功率大小可得与电网电压同相位的分量用来表示；直流侧电压平衡调节器输出调制量用来表示。

图7为根据本实用新型的载波移相脉宽调制功能实现图。基于载波移相脉宽调制的功能要求，图5所示的基于FPGA的模块化设计划分框图。

通过预设正弦波数据表，由于，在每次查找正弦波数据表时同时完成对应幅值与相位的查找计算，即可得到载波移相算法中的正弦调制波；通过时钟周期与载波比的匹配，可在线实时运算得到三角波数据，设三角波幅值为trimax，则有tri_max=10ms/(T*N)，即可得到载波移相算法中的三角载波。

为实现调制度可调，正弦波数据需按照做出修正，原三角波数据保持不变；为实现链节数可调，则三角波数据的起始值计算按照 (tri_max/M)*K进行原始，其中K表示第K路三角波载波，原正弦波数据表保持不变。

为实现直流侧电压平衡控制，将当前直流侧电压平衡控制输出的调整量与相叠加。设最终用于SPWM调制的正弦调制波为sin_data，则有(图8)，三角载波为tri_data，按照SPWM调制方法，在，输出开通信号；在，输出关断信号。如图8所示，按照上述实施方式可实现载波移相脉冲宽度实时调制。

将光纤通信模块输出的故障信息与系统复位信息以及运行状态信息进行组合逻辑运算，其运算规则为：系统复位信号优先级最高，以及若系统复位信号有效，在当前控制周期内发出系统脉冲封锁信号，将所有逆变桥单元模块闭锁；系统过温、过压以及过流等重故障信息优先级次之，若重故障信号有效，在下一个控制周期内发出系统脉冲封锁信号，将所有逆变桥单元模块闭锁；若出现某个单元模块故障现象，则在下一个控制周期内将该单元模块旁路。

通过verilog或者VHDL语言进行编程，可实现上述所有算法，将所建立的工程文件进过综合以及布局布线以后，下载至FPGA芯片，便可实现基于FPGA的载波移相脉宽调制相关功能。

本实用新型的有益效果：可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，同时具有现场可编程、开发周期短、可移植、通用性强、易扩展等特点。

附图说明

附图1、单元模块电路拓扑示意图，

附图2、STATCOM系统电路拓扑示意图，

附图3、2单元5电平水平载波移相原理图，

附图4、载波移相脉宽调制装置在多电平级联链式STATCOM系统中应用示意图，

附图5、链式STATCOM载波移相脉宽调制装置结构示意图， 

附图6是根据本实用新型STATCOM间接电流控制方式原理框图，

附图7、本实用新型的载波移相脉宽调制功能实现图，

附图8、本实用新型的载波移相脉冲宽度调制原理示意图。

具体实施方式

一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置，如图5所示，装置包括以下功能模块：

AD采样数据处理模块3，通过总线7，向载波移相脉宽调制模块1提供网侧电压电流数据。母线电压处理模块5向直流侧电压平衡控制模块2提供直流母线电压数据。故障信息处理模块4，通过总线7向上位机以及载波移相脉宽调制模块1提供故障信息，例如过温信息、通信故障信息。

载波移相脉宽调制模块1，采用基于水平载波移相的间接电流控制算法，从网侧采集网侧电压电流数据，从直流侧电压平衡调制模块2输出占空比调整信息，产生开关频率以及脉冲宽度可调的PWM波，通过光纤通信模块6输出，从而控制STATCOM逆变桥中各电力电子器件的导通与关断。

根据本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，可适用于多电平级联链式STATCOM系统，如图4所示。其单元模块基本结构为H桥逆变电路，直流侧储能元件为电容元件，如图1所示；多个H桥逆变单元模块经串联后，通过连接电抗接入电网，如图2所示。

本实用新型所述的载波移相脉宽调制装置，采用水平载波移相方式，其基本控制策略为：

a) 系统不需补偿无功功率时，在载波移相脉宽调制装置的控制下，STATCOM系统侧输出电压将实时跟踪电网电压幅值与相位；

b)    系统需要补偿无功功率时，将所需补偿无功功率的输出调整量与直流侧电容电压平衡控制的输出调整量，如图6所示，按照一定比例关系相累加，进过CPS-SPWM调节模块，从而输出脉冲宽度实时可调的PWM波，达到补偿无功功率的目的。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的链式STATCOM载波移相脉宽调制装置，包括以下功能模块：AD采样数据处理模块(3)，通过总线(7)，向载波移相脉宽调制模块(1)提供网侧电压电流数据，母线电压处理模块(5)向直流侧电压平衡控制模块(2)提供直流母线电压数据，故障信息处理模块(4)，通过总线(7)向上位机以及载波移相脉宽调制模块(1)提供故障信息， 载波移相脉宽调制模块(1)，采用基于水平载波移相的间接电流控制算法，从网侧采集网侧电压电流数据，从直流侧电压平衡调制模块(2)输出占空比调整信息，产生开关频率以及脉冲宽度可调的PWM波，通过光纤通信模块(6)输出，从而控制STATCOM逆变桥中各电力电子器件的导通与关断。

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