三相电压型PWM整流器的电网电压波形跟踪系统及方法与流程

本发明涉及电力电子电路及波形控制技术领域，尤其涉及一种用于快速、准确跟踪电网电压波形相位信息的基于fpga实现的三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统及方法。

背景技术：

在有源滤波、并网逆变器及新兴的双向交流、直流变换器领域，电网电压、电流信号的相位准确获取一直是最关键的技术，直接关系到输出装置整体的性能和运行效率，因此采用合理的波形跟踪控制策略尤为重要。现在常用的控制方式主要有基于过零点鉴相器的跟踪方法、基于乘法鉴相器的跟踪方法，基于同步坐标变换的跟踪方法等，由于电网的谐波、不平衡等因素影响，以上跟踪方法必须采用截止频率较低的低通滤波器以适应电网的各种异常情况，较大的限制的跟踪速度和准确性。

随着新能源行业的发展，pwm整流技术因其能量双向流动及功率因数可控等优点，相关的技术研究越来越多，电压型pwm整流器通常采用基于电压定向的矢量控制技术，即定向电网电压，以电网电压当前的相位角建立dq坐标系，把电流投影到电压建立的dq坐标系中，控制电流矢量在dq坐标系中的分量以实现稳定的母线电压输出和电网电流波形性能。随着功率变换器小型化高频化的发展趋势，50k以上的开关频率成为主流，对运算cpu也提出了更高的要求，当前一般采用硬件实现或数字化为dsp实现，但是当开关频率更高时，dsp也力不从心，现有的fpga技术具有运行速度快、多个控制回路并行运算而不占用额外时间按等优点，因而应用fpga实现pwm整流器的波形控制跟踪功能有较大优势，而当前的研究不多，将该技术产品化的较少。

技术实现要素：

针对目前状况，为了解决高频开关下，电网电压波形跟踪准确性问题，本发明设计了一种基于fpga实现的三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统及方法，利用fpga的并行处理功能，实现谐波干扰、不平衡等条件下的电网电压波形相位的准确获取，本发明可以作为专用集成电路使用。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统，包括ad芯片、fpga数字控制器、pwm整流主电路；

所述fpga数字控制器包括用于与ad芯片连接的ad接口模块、fpga波形跟踪控制器模块、pwm整流主电路控制器模块；

所述pwm整流主电路包括与电网连接的网侧变压器、接在网侧变压器副边的滤波电感、三相pwm桥；

pwm整流主电路中滤波电感的电压、电流采集部分及pwm整流主电路的直流母线输出采样部分均经ad芯片后接至ad接口模块输入端，ad接口模块输出端接至fpga波形跟踪控制器模块及pwm整流主电路控制器模块；fpga波形跟踪控制器模块的输出端接至pwm整流主电路控制器模块，fpga波形跟踪控制器模块的输出端作为反馈信号反馈到其输入端；pwm整流主电路控制器模块的输出端接至三相pwm桥。利用上述三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统进行电网电压波形的跟踪方法，包括如下步骤：

步骤一、将采集的滤波电感输入端的三相电网电压va、vb、vc进行两相静止坐标系转换得到两相分量vα、vβ；

步骤二、根据两相分量vα、vβ和fpga波形跟踪控制器模块输出的初始相位进行正序dq旋转坐标变换，得到d轴和q轴正序分量其中除了包含有正序分量旋转出来的直流量还含有负序分量的2次谐波成分；另外将两相分量vα、vβ以为角度建立坐标系，进行负序dq旋转坐标变换，得到d轴和q轴负序分量其中除了包含有负序分量旋转出来的直流量还含有正序分量的2次谐波成分；

初始相位角可以理解为0～360度间的随机值，控制的目的是不管初始值是多少，最终控制到与电网电压同相位，也即与电网电压的相位角一样。通过一步一步的迭代运算后，这个变量的值就是步骤五实际算出来的值了。步骤三、构建解耦矩阵，分离并消除d轴和q轴正序、负序分量中的2次谐波分量；

此处在fpga上写程序实现时可令正负序分量旋转出来的直流分量初始值为0，也可以将正负序分量旋转出来的直流分量初始值为其他值，通过一步一步的迭代运算后，这个变量的值就是实际算法算出来的值了，而不再是初始值了。

步骤四、对所得的解耦完成的正负序分量进行低通滤波得到正序和负序的直流分量

步骤五、将解耦完成的正序分量作为pi控制器的输入误差信号，进行pi调节，pi控制器输出与前馈量ωff＝100π相加，对时间积分，进一步的对2π取余得到相位信号并计算相位信号反馈到dq旋转坐标系；相位信号也传递到下一级pwm整流主电路控制器模块中做为pwm整流主电路控制的dq旋转坐标系构建；

步骤六、转至步骤1，当解耦完成的正序分量趋近于0时表明相位捕获准确。

通过该轮计算得到的低通滤波得到正序和负序的直流分量以及相位信号均被代入到下一轮计算中。

步骤四中低通滤波器截止频率选择ωf＝70π，传递函数为

fpga波形跟踪控制器模块，包括一闭环电路，根据反馈的相位角建立dq坐标系，采集的三相电压信号所构成的电压矢量在该坐标系中投影，计算得到q轴分量，以q轴分量作为反馈，以0值作为给定进行pi调节，得到的值作为相位角反馈到波形跟踪控制器的输入端。所述pwm整流主电路控制器模块根据前级波形跟踪控制模块给出的相位角建立dq坐标，将所述ad模块采集的三相电流矢量投影在所建立的dq坐标系上，通过d轴控制直流母线电压，通过q轴控制电流波形与电网电压相位。

本发明利用fpga设计电网电压波形跟踪系统，主要是提供了一种电网电压相位角准确捕获的方法，在三相不平衡系统中，由于负序分量的存在，导致dq旋转后产生了2次谐波分量，同时电网特定条件下也会含有其他频次大量的谐波，如果不针对该谐波分量处理，可能会导致控制系统失效，无法实现电网电压和电流的波形控制。本发明通过两次坐标变换进行正负序分量的分离，将正序分量提取出来设计控制器。

本发明提出了一种基于fpga实现的三相电压型pwm整流器电网电压波形的跟踪方法，通过ad模块对电压信号离散采样，并进行αβ两相静止坐标系变换、dq坐标系变换，低通滤波、正负序分量的分离，pi控制并计算电压相位的测量值，从而实现准确捕获电压相位信息。当电网工作异常、不平衡或谐波含量较大时，产生负序分量和高次谐波分量，常规的波形跟踪方法无法保证跟踪精度，甚至出现不稳定情况，pwm整流器无法正常工作，因此，需要对采集的电压信号进行处理，分离提取出正序分量来单独控制，并计算电压相位信息，进而保证了电网电压波形的跟踪准确性。

本发明采用fpga硬件实现，不占用cpu资源，可作为三相电压波形跟踪功能的专用芯片使用，能达到准确、快速、稳定的跟踪性能。本发明利用fpga的并行处理功能，实现谐波干扰、不平衡等条件下的电网电压波形相位的准确获取。

说明书附图

图1本发明的系统框图；

图2波形跟踪控制器的原理图；

图3本发明的系统原理图；

图4本发明的fpga实现原理图；

图5本发明在电网不平衡下的波形跟踪效果图；

图6本发明在电网不平衡同时2、3、4次谐波含量10％情况下的波形跟踪效果图。

具体实施方式

三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统，如图1所示，包括ad芯片、fpga数字控制器、pwm整流主电路；

所述fpga数字控制器包括用于与ad芯片连接的ad接口模块、fpga波形跟踪控制器模块、pwm整流主电路控制器模块；

所述pwm整流主电路包括与电网连接的网侧变压器、接在网侧变压器副边的滤波电感、三相pwm桥；

pwm整流主电路中滤波电感的电压、电流采集部分及pwm整流主电路的直流母线输出采样部分均经ad芯片后接至ad接口模块输入端，ad接口模块输出端接至fpga波形跟踪控制器模块及pwm整流主电路控制器模块；fpga波形跟踪控制器模块的输出端接至pwm整流主电路控制器模块，fpga波形跟踪控制器模块的输出端作为反馈信号反馈到其输入端；pwm整流主电路控制器模块的输出端接至三相pwm桥。利用上述三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪系统进行电网电压波形的跟踪方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤一、将采集的滤波电感输入端的三相电网电压va、vb、vc进行两相静止坐标系转换得到两相分量vα、vβ；

步骤二、根据两相分量vα、vβ和fpga波形跟踪控制器模块输出的初始相位进行正序dq旋转坐标变换，得到d轴和q轴正序分量其中除了包含有正序分量旋转出来的直流量还含有负序分量的2次谐波成分；另外将两相分量vα、vβ以为角度建立坐标系，进行负序dq旋转坐标变换，得到d轴和q轴负序分量其中除了包含有负序分量旋转出来的直流量还含有正序分量的2次谐波成分；

步骤三、构建解耦矩阵，分离并消除d轴和q轴正序、负序分量中的2次谐波分量；

此处在fpga上写程序实现时可令正负序分量旋转出来的直流分量初始值为0；

步骤四、对所得的解耦完成的正负序分量进行低通滤波得到正序和负序的直流分量此处低通滤波器截止频率选择ωf＝70π，传递函数为

步骤五、将解耦完成的正序分量作为pi控制器的输入误差信号，pi控制器输出与前馈量ωff＝100π相加，对时间积分，进一步的对2π取余得到相位信号并计算相位信号反馈到dq旋转坐标系；相位信号也传递到下一级pwm整流主电路控制器模块中做为pwm整流主电路控制的dq旋转坐标系构建；

步骤六、转至步骤1，当解耦完成的正序分量趋近于0时表明相位捕获准确。

基于fpga的波形跟踪控制器原理如图2所示。三相电压信号由abc静止坐标系转化为αβ两相坐标系，进一步的，分别经正序dq旋转坐标和负序dq旋转坐标系得到其含有高次谐波分量的正负序dq分量，负序分量旋转出来的直流量与构造的解耦坐标系相乘，正序dq分量与上述相乘结果做减法得到与2次谐波分离后的并经低通滤波得到正序的直流分量并行的，正序分量旋转出来的直流量与构造的解耦坐标系相乘，负序的dq分量与前述相乘结果做减法得到与2次谐波分离后的并经低通滤波得到负序的直流分量分离2次谐波并滤除高次谐波后的正序分量做为pi控制器误差输入信号，pi控制器传递函数g(s)为t为开关频率也即ad采样频率。pi控制器输出与前馈量ωff＝100π相加，对时间积分，进一步的对2π取余得到相位信号，相位信号反馈到dq旋转坐标系，构造dq旋转矩阵及解耦矩阵，通过相位信号与fpga内建的正余弦波表对应求取求取过程为常规方法在此不再赘述。进一步的，如图3所示，相位信号也传递到下一级pwm整流主电路控制器中做为pwm整流主电路控制的dq旋转坐标系构建,该部分为本领域技术人员的公知常识，在此不再赘述。

本发明通过fpga实现的方法如图4，采样和控制周期为t，分别为第n个周期的正负序解耦完的计算值。分别为当前采样周期前一个周期的正负序解耦完的计算值，初始化为0。分别第n个周期的正负序直流分量的计算值，分别为其当前采样周期前一个周期的正负序直流分量的计算值，初始值为0。

由经低通滤波得

同样的方法可计算得到进一步的，得到通过图4所示的下式计算得到

作为pi控制的误差输入，经pi调节，其输出与前馈环节ωff＝100π相加对2π取余运算即可得到相位角。利用本发明提供的基于fpga的三相电压型pwm整流器的电网电压波形跟踪方法实际效果如图5，可见在不平衡条件下可以得到准确的相位角，如图6在三相不平衡及2、3、4次谐波各10％情况下依然能取得良好的波形跟踪效果。