CN205846734U - 基于fpga控制的三相功率平衡装置 - Google Patents

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宋元锋
荆延飞
王金
巩帅奇
牟忠
李军
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Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA控制的三相功率平衡装置，包括依次连接的系统电源Uabc、输出电抗器Labc、三相全桥逆变单元，三相全桥逆变单元的连接串联的电容C1、C2，电容C1、C2的中点连接零线电抗器LN，零线电抗器LN连接零线N；系统电源Uabc与输出电抗器Labc之间连接电压互感器，输出电抗器Labc与三相全桥逆变单元之间穿接输出电流互感器，电容C1和电容C2两端连接直流采用互感器，电压互感器、输出电流互感器和直流采用互感器通过调理电路接口连接调理电路，调理电路通过AD采样芯片连接FPGA，FPGA分别连接ARM和DSP。本实用新型能够有效消除配电网中三相负荷不平衡以及零线电流过大的电能质量问题，提高了输出补偿精度，具有较好的补偿效果和较高的系统可靠性。

Description

基于FPGA控制的三相功率平衡装置
技术领域
本实用新型涉及一种三相功率平衡装置，具体涉及一种基于FPGA控制的三相功率平衡装置。
背景技术
随着电网日益复杂、非线性和冲击性负载增加，配电网中无功功率、谐波、三相负荷不平衡等问题越来越严重。目前市场上的三相电流平衡设备，特别是大功率三相有功平衡设备仍然以无源无功补偿装置分相补偿为主和少部分对安装条件要求较高的有源电力滤波器和静止无功发生器，且主要应用于低压范围。但是，无源无功补偿装置本身有很大缺陷，不能达到最优化的不平衡要求，且与无功补偿装置相比，三相负荷不平衡自动调节装置具有有功转移、动态无功补偿、与系统不谐振等优势。随着电力电子技术的进步和生产规模的扩大，动态无功发生及三相有功平衡装置的成本逐渐下降，其巨大的技术优势、强大功能、更高的适应性、更简单的安装方式，必将最终取代无功补偿装置占据市场主流。
三相功率平衡装置是随着现代电力电子技术发展起来的高科技装备，是一种用于动态无功补偿、滤除谐波、平衡三相负载的新型电力电子装置，该装置具有体积小、效率高、可靠性好的特点，能够被广泛应用于无功功率不平衡、电压质量低、线损严重的配电网中，通过动态补偿无功、平衡三相负载和滤除低次谐波电流改善配电网电能的质量，提高变压器的利用率，降低线损。
实用新型内容
根据以上现有技术中的不足，本实用新型要解决的问题是：提供一种可以消除三相负荷不平衡的电能质量问题，输出补偿精度高，补偿效果好，系统可靠性高的基于FPGA控制的三相功率平衡装置。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置，包括系统电源Uabc、系统电源Uabc的三相输出端连接输出电抗器Labc，输出电抗器Labc连接三相全桥逆变单元，三相全桥逆变单元的直流侧连接串联的电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的中点连接零线电抗器LN，零线电抗器LN连接系统电源Uabc的零线N；
所述的系统电源Uabc与输出电抗器Labc的连接公共端连接电压互感器，电压互感器的输出端连接控制系统的调理电路接口；
所述的输出电抗器Labc与三相全桥逆变单元的连接公共端穿接输出电流互感器，输出电流互感器的输出端连接控制系统的调理电路接口；
所述的三相全桥逆变单元的直流侧串接的电容C1和电容C2两端连接直流采用互感器，直流采用互感器的输出端连接控制系统的调理电路接口；
所述的控制系统通过驱动电路连接三相全桥逆变单元，驱动电路连接控制系统的PWM脉冲输出信号端口。
进一步的优选，控制系统的调理电路接口连接负载电流互感器的输出端，负载电流互感器穿接在负载侧。
进一步的优选，控制系统包括调理电路、AD采样芯片、FPGA芯片、DSP芯片和ARM芯片，所述的调理电路通过采样信号总线连接AD采样芯片，AD采样芯片通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片，FPGA芯片分别通过数据总线和控制总线连接DSP芯片和ARM芯片，FPGA芯片通过IO信号线连接IO口Ⅱ，DSP芯片通过IO信号线连接IO口Ⅲ，DSP芯片通过PWM驱动信号线连接PWM脉冲输出信号端口，ARM芯片IO信号线连接IO口Ⅰ，ARM芯片通过通讯信号线连接通讯接口485CAN端口。
本实用新型从改善配网三相负荷不平衡的角度出发，在常规的单DSP控制系统的基础上，增设了FPGA的逻辑控制处理环节，并利用FPGA的并行控制结构的优势通过FPGA对系统采样信息进行处理，形成了采样速度快、控制精度高的三相功率平衡装置。
进一步的优选，AD采样芯片包括AD转换芯片AD01、AD02和AD03，AD01、AD02和AD03分别通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片。
本实用新型所具有的有益效果是：
本实用新型所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置克服了传统无源器件治理三相负荷不平衡的缺陷，解决了机械转换开关调相法治理三相负荷不平衡的频繁投切问题，结构简单，设计合理，能够有效消除配电网中三相负荷不平衡以及零线电流过大的电能质量问题，提高了输出补偿精度，具有较好的补偿效果和较高的系统可靠性。
附图说明
图1为本实用新型的硬件结构示意图；
图2为本实用新型的控制系统结构示意图；
其中，1、三相全桥逆变单元；2、电压互感器；3、负载电流互感器；4、输出电流互感器；5、驱动电路；6、直流采用互感器；7、控制系统；8、调理电路；9、PWM脉冲输出信号端口；10、AD采样芯片；11、ARM芯片；12、FPGA芯片；13、DSP芯片；14、通讯接口485CAN端口；15、IO口Ⅰ；16、IO口Ⅱ；17、IO口Ⅲ；Uabc、系统电源；Labc、输出电抗器；LN、零线电抗器；C1、C2、电容。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例做进一步描述：
如图1所示，本实用新型所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置，包括系统电源Uabc、系统电源Uabc的三相输出端连接输出电抗器Labc，输出电抗器Labc连接三相全桥逆变单元1，三相全桥逆变单元1的直流侧连接串联的电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的中点连接零线电抗器LN，零线电抗器LN连接系统电源Uabc的零线N；
所述的系统电源Uabc与输出电抗器Labc的连接公共端连接电压互感器2，电压互感器2的输出端连接控制系统7的调理电路接口(系统电压采样端口)；
所述的输出电抗器Labc与三相全桥逆变单元1的连接公共端穿接输出电流互感器4，输出电流互感器4的输出端连接控制系统7的调理电路接口(输出电流采样端口)；
所述的三相全桥逆变单元1的直流侧串接的电容C1和电容C2两端连接直流采用互感器6，直流采用互感器6的输出端连接控制系统7的调理电路接口(直流电压采样端口)；
所述的控制系统7通过驱动电路5连接三相全桥逆变单元1，驱动电路5连接控制系统7的PWM脉冲输出信号端口9。
所述的控制系统7的调理电路接口(负载电流采样端口)连接负载电流互感器3的输出端，负载电流互感器3穿接在负载侧。
如图2所示，本实用新型所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置的控制系统，包括调理电路8、AD采样芯片10、FPGA芯片12、DSP芯片13和ARM芯片11，所述的电压互感器2、输出电流互感器4、直流采用互感器6、负载电流互感器3的输出端通过调理电路接口连接调理电路8，调理电路8通过采样信号总线连接AD采样芯片10，AD采样芯片10通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片12，FPGA芯片12分别通过数据总线和控制总线连接DSP芯片13和ARM芯片11，FPGA芯片12通过IO信号线连接IO口Ⅱ16，DSP芯片13通过IO信号线连接IO口Ⅲ17，DSP芯片13通过PWM驱动信号线连接PWM脉冲输出信号端口9，ARM芯片11IO信号线连接IO口Ⅰ15，ARM芯片11通过通讯信号线连接通讯接口485CAN端口14。
所述的AD采样芯片10包括AD转换芯片AD01、AD02和AD03，AD01、AD02和AD03分别通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片12。
本实用新型的工作原理和使用过程：
使用时，通过电压互感器2、输出电流互感器4、直流采用互感器6、负载电流互感器3分别采集系统电压、输出电流、直流电压和负载电流，并将所采集到的采样信号连接到控制系统7的调理电路接口，通过调理电路8进行调理，并通过AD采样芯片10进行信号转换后通过数据总线和控制总线传送至FPGA芯片12，通过FPGA芯片12进行逻辑处理和控制，实现系统电量的快速精确采样，并由此可得到DSP芯片13更为精准的计算和控制输出。
本实用新型并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本实用新型的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA控制的三相功率平衡装置，其特征在于：包括系统电源Uabc、系统电源Uabc的三相输出端连接输出电抗器Labc，输出电抗器Labc连接三相全桥逆变单元(1)，三相全桥逆变单元(1)的直流侧连接串联的电容C1和电容C2，电容C1和电容C2的中点连接零线电抗器LN，零线电抗器LN连接系统电源Uabc的零线N；
所述的系统电源Uabc与输出电抗器Labc的连接公共端连接电压互感器(2)，电压互感器(2)的输出端连接控制系统(7)的调理电路接口；
所述的输出电抗器Labc与三相全桥逆变单元(1)的连接公共端穿接输出电流互感器(4)，输出电流互感器(4)的输出端连接控制系统(7)的调理电路接口；
所述的三相全桥逆变单元(1)的直流侧串接的电容C1和电容C2两端连接直流采用互感器(6)，直流采用互感器(6)的输出端连接控制系统(7)的调理电路接口；
所述的控制系统(7)通过驱动电路(5)连接三相全桥逆变单元(1)，驱动电路(5)连接控制系统(7)的PWM脉冲输出信号端口(9)。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置，其特征在于：所述的控制系统(7)的调理电路接口连接负载电流互感器(3)的输出端，负载电流互感器(3)穿接在负载侧。
3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置，其特征在于：所述的控制系统(7)包括调理电路(8)、AD采样芯片(10)、FPGA芯片(12)、DSP芯片(13)和ARM芯片(11)，所述的调理电路(8)通过采样信号总线连接AD采样芯片(10)，AD采样芯片(10)通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片(12)，FPGA芯片(12)分别通过数据总线和控制总线连接DSP芯片(13)和ARM芯片(11)，FPGA芯片(12)通过IO信号线连接IO口Ⅱ(16)，DSP芯片(13)通过IO信号线连接IO口Ⅲ(17)，DSP芯片(13)通过PWM驱动信号线连接PWM脉冲输出信号端口(9)，ARM芯片(11)IO信号线连接IO口Ⅰ(15)，ARM芯片(11)通过通讯信号线连接通讯接口485CAN端口(14)。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA控制的三相功率平衡装置，其特征在于：所述的AD采样芯片(10)包括AD转换芯片AD01、AD02和AD03，AD01、AD02和AD03分别通过数据总线和控制总线连接FPGA芯片(12)。
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