一种基于FPGA的四象限直流检测装置的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于FPGA的四象限直流检测装置。

背景技术：

随着新兴能源的发展，市场上出现大量的直流检测和管理的装置，通常情况下，采用的是简单整流逆变等手段对直流设备进行检测和管理，能量转换效率低，电能利用率低下，导致了能源的极大浪费。随着新能源的发展，对直流设备的检测和管理提出了更高的要求，要求更高的检测精度，更稳定的控制算法，更节能的控制架构，能量的存储、能量的释放，以及能源的利用率等均提出了更高的要求,同时也提出了绿色能源的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是实现一种基于FPGA的四象限直流检测装置，用以提高并网能源控制过程中的控制效率，以及降低能耗。

基于上述目的，本实用新型提供一种基于FPGA的四象限直流检测装置，包括：AC/DC模块，包含有整流结构，用于对电网侧的三相交流电压进行整流，以得到第一直流电压；

DC/DC模块，用于对所述第一直流电压进行变换，以得到供负载使用的第二直流电压；

FPGA控制模块，用于对电网侧和负载侧的电压进行实时采样，以及根据采样结果控制所述AC/DC模块和DC/DC模块中的开关管，以使所述装置在四象限内稳定运行。

可选的，所述整流结构为由IGBT单元组成的第一三相桥臂并联连接结构。

可选的，所述AC/DC模块还包括均压电阻R1、R2，和电容C1、C2；所述均压电阻R1与所述电容C1并联形成第一滤波结构，所述均压电阻R2与所述电容C2并联形成第二滤波结构，所述第一滤波结构与所述第二滤波结构串联形成分压滤波结构；所述分压滤波结构连接至所述整流结构的输出侧。

可选的，所述DC/DC模块包括由IGBT单元组成的第二三相桥臂并联连接结构，和分别连接至所述第二三相桥臂并联连接结构各桥臂中点的电感；所述电感的另一端均连接至负载。

可选的，所述DC/DC模块还包括由电阻R3和电容C3并联组成的第三滤波结构，所述第三滤波结构设置于所述第二三相桥臂并联连接结构与负载之间。

附图说明

图1是四象限直流检测装置工作系统图；

图2是四象限直流检测装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

一种基于FPGA的四象限直流检测装置，包括AC/DC模块、DC/DC模块、FPGA控制模块。

FPGA是现场可编程门阵列，它是在CPLD等可编程器件的基础上发展起来的，利用硬件并行的优势，FPGA可以实现每个时钟周期完成更多的处理任务。本实用新型中的FPGA控制板通过实时采样AC侧电流、电压，DC侧电流、电压，负载侧电流、电压，动态调整装置工作于四象限，满足高效、节能的目的。本实用新型中FPGA控制板选用了EP4CE115F2317芯片，

参见图1，功率是有方向的，电网向负载发送作为正向，反之负载向电网倒送就是反向。图中：P—有功电能；Q—无功电能；顺时针方向相角为正。把测量平面用竖轴和横轴划分为四个象限；+Qc表示输入容性无功，-Qc表示输出容性无功，+QL表示输入感性无功，-QL表示输出感性无功；P+表示输入有功功率，P-表示输出有功功率。右上角为Ⅰ象限，右下角为Ⅱ象限，依此按顺时针方向为Ⅲ、Ⅳ象限。竖轴向上表示输入有功(+P)，竖轴向下表示输出有功(-P)，横轴向右表示输入无功(+Q)，横轴向左表示输出无功(-Q)。

基于FPGA的四象限直流检测装置可以动态工作在四象限，当该装置将电网能量向直流负载送时，运行在第一象限；当直流负载将能量反馈给电网时，运行在第二象限；当装置同时对电网进行感性无功补偿时，装置运行于第三象限；当装置对电网进行容性无功补偿时，装置运行于第四象限；

即该装置可以根据负载情况实时运行在四象限，实现对电网能量的发送和反馈，同时也可以对电网进行动态无功补偿，提高电网的功率因数，达到节能、高效的目的。

参见图2，一种基于FPGA的四象限直流检测装置主要依靠AC/DC模块、DC/DC模块、FPGA控制模块来实现的。AC/DC模块包括电感L1、L2、L3，开关器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6，滤波电容C1、C2，均压电阻R1、R2。

电网侧AC/DC模块，通过IGBT的反相并联续流二极管实现全桥整流，将交流电压整流成直流，通过电容C1、C2，均压电阻R1、R2实现滤波和稳压的作用；根据负载的情况，装置可以动态运行于四象限，当直流侧负载需要提供能量时，AC/DC侧将电网能量向电容充电，抬高电容两端电压；当直流侧负载需要将能量反馈到电网时，AC/DC侧将电容上能量向电网上反送；同时AC/DC模块根据电网侧的无功变化动态补偿电网的无功，提高电网的功率因数。

AC/DC模块中的电感L1/L2/L3主要用于通过调节电感两端的电压来控制流入流出装置的电流大小；通过检测电网侧电压，以及计算电网侧的无功，装置实时调整输入侧L1/L2/L3两端的电压，可以动态的控制装置的无功输出。

直流侧的DC/DC电路主要采用调整IGBT占空比的方式来控制直流侧负载的电压，达到对直流侧负载的检测和管理。DC/DC模块可以实现电能转化，即将输入的直流电能转化为负载可用的直流电能，为负载提供能源。DC/DC模块包括由IGBT单元(IGBT7-IGBT12)组成的第二三相桥臂并联连接结构，和分别连接至所述第二三相桥臂并联连接结构各桥臂中点的整流电感；所述整流电感的另一端均连接至负载。

具体的，第二三相桥臂并联连接结构由6个IGBT晶体管以及6个分别与IGBT晶体管反向并联的续流二极管组成。通过控制IGBT管的通断将输入的直流电源逆变成频率可调的矩形波交流电输出到负载。其续流二极管的作用是当IGBT晶体管由导通变为截止时，为储存在负载中的电能提供释放通道；当负载降低运行能耗时，为再生电流提供回流到电网侧的通道。

电感L4/L5/L6主要用于储能，通过电感，可以实现对负载侧的升压控制和降压控制。

充电时，对电感L4/L5/L6进行储能，IGBT7、IGBT9、IGBT11开通，关闭IGBT8、IGBT10、IGBT12，通过调整IGBT的占空比，可以控制给负载的充电电压；当放电时，开通IGBT8、IGBT10、IGBT12,关闭IGBT7、IGBT9、IGBT11,通过调整下管IGBT来控制放电电压。C3电容主要用于稳定输出电压，滤出高次谐波。

控制电路主要采用了FPGA控制模块(参考图2中的FPGA控制板)，通过FPGA良好的并列运算能力实现对AC/DC模块的IGBT和DC/DC模块的IGBT通断控制，同时大量的逻辑单元可以满足算法的需求；为了实现四象限运行，提高能量的转换效率，达到高效和节能目的，该装置主要采用了基于dq算法的电网无功提取算法，通过对电网侧无功提取和计算，无功电流提取模块主要是根据三相电网侧电压和电网侧电流通过dq变换得到系统三相无功电流。

值得说明的：本实用新型的保护范围不仅局限于此以上所述的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应包涵在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权力要求所界定的保护范围为准。