基于FPGA的静止无功补偿装置PWM信号实现方法与流程

基于fpga的静止无功补偿装置pwm信号实现方法
技术领域
1.本发明涉及fpga相关技术领域，具体为一种基于fpga的静止无功补偿装置pwm信号实现方法。


背景技术：

2.随着经济的飞速发展，现代电力系统的规模不断扩大，电力系统的安全、稳定和经济运行问题日益突出，在新能源应用场合，如风电场接入电网时，为确保风电场的低电压穿越能力，需要在因故障或者改变运行方式等造成接入点电压短时跌落时，风电接入点需要快速注入无功功率，维持接入点电压的稳定，保证风电场不脱网运行，因此，对电力系统进行无功补偿，不仅可以稳定电网电压，提高系统输电能力，降低系统功率损耗，也可以提高功率因数，平衡三相功率，增强系统运行的稳定性，从而提高供电可靠性和改善电能质量。
3.随着大功率全控型电力电子器件gto，igbt及igct的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术(pwm)、四象限变流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展，20世纪80年代出现了新一代的静止无功发生器svg，它是基于电压源逆变器，通过控制并联接入系统的电压，从而灵活改变补偿给系统的无功，与传统的无功补偿装置相比，svg具有比较明显的技术优势：动态响应速度更快，并输出电流谐波含量更低，不存在系统谐振问题，无功补偿能力更强，占地面积小。
4.根据当前新能源电站的应用，svg装置根据无功补偿容量大小、并网点电压等级分为10kv系统和35kv系统，10kv等级系统每相一般采用9～12级模块级联构成，35kv等级系统每相采用39～42级模块级联构成。
5.整个控制系统作为svg装置工作运行的核心，其任务之一就是产生所有单元模块内开关器件的pwm控制信号，在保证各单元模块电压均衡稳定的前提下，装置能够输出要求的容性或感性无功电流，常规的控制系统采用dsp 控制器件来独立实现系统控制，产生所有单元模块的pwm控制信号，但因级联模块单元数量越来越多，仅由dsp控制器件来实现会出现程序工作量增加，程序执行时间变长，系统工作频率降低，控制精度变低等问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于fpga的静止无功补偿装置pwm信号实现方法，利用fpga并行工作特点和模块化设计思路，由fpga来控制产生静止无功补偿装置各开关器件的控制信号，整个实现方法的设计思路清晰，控制实现灵活，采用分层控制策略得到正弦调制波信号实现了所有单元模块直流电压的均衡，利用数字比较代替模拟信号比较直接产生pwm信号，降低了控制系统复杂性，减少程序工作量，系统工作频率更高，控制精度更加准确。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于fpga的静止无功补偿装置pwm信号实现方法，包括三角载波信号产生模块、正弦调制波信号产生模块、脉冲控制信号产生模块，所述三角载波信号产生模块由同步模块、频率控制模块、初始值计算模块和载波信号计数模块组成，正弦调制波信号产生模块由基准调制波信号模块、相间电压平衡计算模块和
模块间电压平衡计算模块组成，脉冲控制信号产生模块由数字比较模块和pwm信号消抖滤波模块组成。
8.作为本发明的优选技术方案，所述同步模块用于接收控制系统的指令，在检测到指令信号状态翻转时产生一个宽度固定的高电平脉冲信号给三角载波计数模块，整个同步信号的频率由控制系统确定。
9.采用上述技术方案，该模块设计的目的在于保证不同控制芯片之间的同步性，减少随着时间累积系统不一致性导致的并网电压、电流谐波含量高的问题。
10.作为本发明的优选技术方案，所述频率控制模块用于接收控制系统的频率指令，并根据要求的频率换算数字三角载波信号的计数峰值f
max
，并作为初始值计算模块的输入量用于计算各级单元模块三角载波信号的初始值，不同相的相同级单元模块三角载波信号相同。
11.采用上述技术方案，从而能够通过频率控制模块来接收指令，并且能够换算得到计数峰值，控制灵活。
12.作为本发明的优选技术方案，所述初始值计算模块根据级联单元数量n以及数字三角载波信号的计数峰值f
max
，计算后的各级模块单元对应的三角载波信号初始值分别为：
13.当1≤i≤n/2+1时，初始值为
14.当n/2+1《i≤n时，初始值为
15.其中，i＝1，2，3，......n。
16.作为本发明的优选技术方案，所述三角载波技术模块如果检测到同步信号的上升沿则重新加载各三角载波信号的初始计数值，数据加载完成后n 个计数器从当前计数值开始同时启动加减计数工作，判断各初始值的状态标志位，若标志位为1，则进行加计数，若标志位0，则进行减计数，计数器计数到最大值进行减计数，减计数计数到0后则进行加计数。
17.作为本发明的优选技术方案，所述基准调制波信号模块用于接收 dsp控制系统的信号指令，得到每个模块的基准调制波信号量mambmc。
18.采用上述技术方案，可通过基准调制波信号模块接收到各个单元模块的信号指令，得到基准调制波信号量。
19.作为本发明的优选技术方案，所述相间电压平衡计算模块用于调节相与相之间的模块电压平衡，通过比较计算各相模块电压的平均值与所有模块电压平均值的差值，经比例积分控制器、正弦信号量处理以及并网电流方向判断综合计算得到各相相电压平衡需叠加的调制波信号增量。
20.采用上述技术方案，udc_avg是所有模块直流电压的平均值，udc_a是 a相模块直流电压的平均值，udc_b是b相模块直流电压的平均值，udc_c 是c相模块直流电压的平均值，δmaδmbδmc分别为abc三相相电压平衡的调制波增量。
21.作为本发明的优选技术方案，所述模块间电压平衡计算模块用于相内各模块电压之间的平衡，通过比较该相电压平衡值与相内每个模块电压值的差值，经比例控制器调节输出，若该相电流瞬时值大于等于0，则输出量保持不变，否则输出量取反，最终得到各个模块间电压平衡需叠加的调制波信号微调量。
22.采用上述技术方案，udc_a_i、udc_b_i、udc_c_i分别为abc三相的第 i级模块电压值，δm
a_i
δm
b_i
δm
c_i
分别为三相相内模块间电压平衡第i级模块的微调量信号。
23.作为本发明的优选技术方案，所述每个单元模块总的正弦调制波信号，由基准调制波信号、相电压平衡的调制波信号增量以及模块间电压平衡的调制波信号微调量相加得到，最终：
24.a相第i级模块的正弦调制波信号＝ma+δma+δm
aa
；
25.b相第i级模块的正弦调制波信号＝mb+δmb+δm
bi
；
26.c相第i级模块的正弦调制波信号＝mc+δmc+δm
ci
。
27.采用上述技术方案，可通过基准调制波信号、相电压平衡的调制波信号增量以及模块间电压平衡的调制波信号微调量相加，能够得到每个单元模块总的正弦调制波信号。
28.作为本发明的优选技术方案，所述数字比较模块将正弦调制波信号和三角载波信号进行大小比较，h全桥模块的左、右桥臂采用的三角载波信号相同，正弦调制波信号相差180
°
。
29.采用上述技术方案，当正弦调制波信号值大于等于三角载波信号值时，输出为高电平，否则为低电平，由于三角载波信号更新频率与正弦调制波信号更新频率不一致，在两者相交电平状态发生改变时，可能在一个开关周期内出现电平多次翻转。
30.作为本发明的优选技术方案，所述消抖滤波模块将电平状态改变时附近的高频脉冲信号进行滤除，避免高频量信号导致开关器件损坏。
31.采用上述技术方案，在三角载波信号处于加计数时，当正弦调制波信号量小于三角载波信号时输出低电平，其余保持当前状态；在三角载波信号处于减计数时，当正弦调制波信号大于三角载波信号时输出高电平，其余保持当前状态。
32.本发明的有益效果：
33.1.利用fpga芯片实现svg装置的分层控制功能，在总体控制的基础上增加相间平衡控制和模块间电压平衡控制，实现所有模块电压之间的均衡控制；由于直流电容损耗、开关器件损耗的差异性，以及脉冲信号控制的不一致性，如不加以控制，会导致模块电压之间的差值越来越大，系统无法正常工作，控制逻辑清晰明了。
34.2.利用fpga产生载波移相控制使用的三角载波信号组，该三角载波信号的频率可以调节，也可根据级联单元模块的数量调整三角载波信号组之间的相位差，最后增加同步控制功能，保证不同控制系统之间的一致性，利用fpga 产生三角载波信号，方便灵活。
35.3.采用实时比较的方法比较三角载波信号和正弦调制波信号，比传统采用规则采样方法得到的pwm信号精度更准确。
36.4.对直接比较后的脉冲信号进行消抖滤波处理，避免pwm信号在一个开关周期内多次翻转，影响开关器件的性能，同时也可以进一步降低并网电压和电流的谐波分量，消抖滤波方法设计的简单巧妙。
37.5.利用fpga硬件程序实现，对整个系统而言，减少了dsp控制系统的程序任务量，整个控制系统可以工作在更高频率，响应速度更快。
附图说明
38.图1为本发明具体实现方法的逻辑框图；
39.图2为本发明同步模块工作原理示意图；
40.图3为本发明三角载波信号模块产生的波形示意图；
41.图4为本发明调制波信号增量的计算方法示意图；
42.图5为本发明微调量信号计算过程示意图；
43.图6为本发明单个模块正弦调制波信号和三角载波信号对比示意图；
44.图7为本发明单个开关周期内电平信号出现多次翻转的示意图；
45.图8为本发明采用消抖滤波处理前后的pwm波形变化示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.如图1所示，为本发明具体实现方法的逻辑框图，基于fpga的静止无功补偿装置pwm信号实现方法，包括三角载波信号产生模块、正弦调制波信号产生模块和脉冲控制信号产生模块，所述三角载波信号产生模块由同步模块、频率控制模块、初始值计算模块和载波信号计数模块组成，正弦调制波信号生成模块由基准调制波信号模块、相间电压平衡计算模块和模块间电压平衡计算模块组成，脉冲控制信号产生模块由数字比较模块和pwm信号消抖滤波模块组成。
48.图1中的三角载波信号产生模块由同步模块、频率控制模块、初始值计算模块和载波信号计数模块组成，包括以下步骤：
49.步骤1，如图2所示，为本发明同步模块工作原理示意图，同步模块用于接收dsp控制系统的指令，在检测到指令信号状态翻转时产生一个宽度固定的高电平脉冲信号给三角载波计数模块，整个同步信号的频率由控制系统确定，该模块设计的目的在于保证不同控制芯片之间的同步性，减少随着时间累积系统不一致性导致的谐波电压电流含量高的问题。
50.步骤2，频率控制模块用于接收dsp控制系统的频率指令，并根据要求的频率换算数字三角载波信号的计数峰值f
max
，并作为初始值计算模块的输入量用于计算各级单元模块三角载波信号的初始值，不同相的相同级单元模块三角载波信号相同，能够通过频率控制模块来接收dsp控制系统指令，并换算得到计数峰值，控制灵活。
51.步骤3，初始值计算模块根据级联单元数量n以及数字三角载波信号的计数峰值f
max
，计算后的各级模块单元对应的三角载波信号初始值分别为：
52.当1≤i≤n/2+1时，初始值为
53.当n/2+1《i≤n时，初始值为
54.步骤4，如图3所示，为本发明三角载波信号模块产生的波形示意图，当三角载波计数模块检测到同步信号的上升沿则重新加载各三角载波信号的初始计数值，数据加载完成后n个计数器从当前计数值开始同时启动加减计数工作，并判断初始值的状态标志位，若标志位为1，则进行加计数，若标志位 0，则进行减计数，计数器计数到最大值进行减计数，减
计数计数到0后则进行加计数，最终产生的三角载波信号频率即为设定的频率值。
55.图1中每个单元模块总的正弦调制波信号，由基准调制波信号、相电压平衡的调制波信号增量以及模块间电压平衡的调制波信号微调量相加得到，包括以下步骤：
56.步骤1，基准调制波信号模块用于接收控制系统的信号指令，得到每个模块的基准调制波信号量，可通过基准调制波信号模块接收到各个模块的信号指令，从而得到基准调制波信号量mambmc。
57.步骤2，如图4所示，为本发明调制波信号增量的计算方法示意图，相间电压平衡计算模块用于调节相与相之间的模块电压平衡，将所有模块电压的平均值作为给定量信号，各相模块电压的平均值作为反馈量信号，做差限幅后经比例积分控制器调节，再将输出量信号与超前该相电压相位90
°
的正弦波信号量进行相乘，而后根据当前svg装置输出的电流是感性还是容性，对最终叠加的调制波增量值进行符号处理，最终计算得到各相相电压平衡需叠加的调制波信号增量，图4中，udc_avg是所有模块直流电压的平均值，udc_a 是a相模块直流电压的平均值，udc_b是b相模块直流电压的平均值，udc_c 是c相模块直流电压的平均值，θ为锁相角(a相电压相位)，当svg装置输出容性电流时，符号取1，输出为感性电流时，符号取﹣1，δmaδmbδmc分别为相间电压平衡的调制波增量。
58.步骤3，如图5所示，为本发明微调量信号计算过程示意图，模块间电压平衡计算模块用于该相相内各模块电压之间的平衡，比较该相模块电压平均值与相内各个模块电压值的差值，经比例控制器调节后，若该相电流瞬时值大于等于0，则输出量保持不变，否则输出量取反，最终得到各个模块间电压平衡需叠加的调制波信号微调量，图中，udc_a_i、udc_b_i、udc_c_i分别为abc三相第i级模块电压值，δm
a_i
δm
b_i
δm
c_i
分别为三相相内模块间电压平衡的微调量信号。
59.步骤4，总的正弦调制波信号可通过基准调制波信号、相电压平衡的调制波信号增量以及模块间电压平衡的调制波信号微调量相加得到，具体如下：
60.a相第i级模块的正弦调制波信号＝ma+δma+δm
a_i
；
61.b相第i级模块的正弦调制波信号＝mb+δmb+δm
b_i
；
62.c相第i级模块的正弦调制波信号＝mc+δmc+δm
c_i
，
63.如图6所示，为本发明单个模块正弦调制波信号和三角载波信号对比示意图，数字比较模块将正弦调制波信号和三角载波信号进行大小比较，h全桥模块的左、右桥臂采用的三角载波信号相同，正弦调制波信号相差180
°
，s
a_i
为第i级模块左桥臂的正弦调制波信号，s
b_i
为第i级模块右桥臂的正弦调制波信号，ti为第i级模块三角载波信号。
64.如图7所示，为本发明单个开关周期内电平信号出现多次翻转的示意图，当正弦调制波信号值大于等于三角载波信号值时，输出为高电平，否则为低电平，但由于三角载波信号更新频率与正弦调制波信号更新频率不一致，在两者相交即电平状态发生改变时，可能在一个开关周期内出现电平多次翻转。
65.如图8所示，为本发明采用消抖滤波处理前后的pwm波形变化示意图，消抖滤波模块将电平状态改变时附近的高频脉冲信号进行了滤除，避免高频量信号导致开关器件损坏，减少并网电流谐波分量，其工作过程是在三角载波信号处于加计数时，当检测到正弦调制波信号量小于三角载波信号则输出低电平，其余保持当前状态；在三角载波信号处于减计数时，当检测到正弦调制波信号大于三角载波信号时输出高电平，其余保持当前状态。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
67.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。