基于FPGA三相并网逆变器的设计

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本文针对现代社会使用普遍率高,耗能大的电梯作为研究背景,设计了以FPGA为控制核心的三相并网逆变器系统,该系统可将电梯在下降过程中通过能量转换产生的直流电通过逆变电路转换成三相交流电,最终并入电网,实现能量的回馈,提高能量的利用率,达到了节能的目的。由于并网逆变器输出的三相并网电流通常会带有高次谐波分量,如直接并入电网会对电网产生无功污染和谐波污染,因此国际社会上通过并入电网的能量回馈设备是有着严格的要求。综上,本文最终实现的目标是使得并网逆变器输出的直流电压利用率高,并网电流可调,谐波畸变率小且与电网保持同相位。本文并网系统的设计主要包括逆变电路功率开关器件的调制方式的设计,并网逆变器与电网之间滤波器的设计,并网系统闭环控制算法,硬件电路原理图的设计,以及并网系统重要模块基于FPGA的实现。在功率开关器件的调制方式的设计中,本文研究了一种新的基于不连续调制的SVPWM调制方式来控制功率开关器件,与传统的SPWM相比此方式下直流电压利用率可以提高15.4%,且与连续调制的SVPWM相比,减少开关功率开关器件的开关次数降低开关损耗,同时其还具有谐波畸变率较小的优点。在三相逆变器的输出与电网之间设计了LCL滤波器,在滤除三相逆变器输出电流中的高次谐波的性能方面有着更好的性能。并网系统闭环控制算法设计了一种基于电感电流外环电容电流内环的电流双闭环控制算法,在Simulink仿真环境中完成三相并网逆变器的仿真,仿真结果表明此算法稳态性能较好,动态响应速度快,逆变器输出并网电流可控,且输出电流相位能与三相电网中保持同步,实现了单位功率因数并网。系统的硬件电路采用了先进的IPM智能模块,霍尔电流电压传感器以及高速高精度的模数转换芯片ADS7864.以满足系统对实时性的要求。FPGA因其高速,丰富的外部接口资源和并行计算的能力,在电力控制系统中,已经受到越来越多的关注。本文以Cyclone II系列FPGA:EP2C8Q208作为系统控制核心,以Verilog硬件描述语言在其上实现了不连续调制SVPWM模块,PI算法模块,以及ADS7864与FPGA通信模块的设计。并网系统的仿真结果及FPGA仿真时序图表明,系统设计达到了预期设计的各项要求,充分证明了本文系统设计的可行性,能够有效的实现能量的回馈。
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