基于FPGA+ARM的并网逆变器的关键技术研究

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地球上的化石能源越来越少,可再生能源日益成为获取可靠且持续电能的一种重要方式,通过并网逆变器可以向用户提供清洁能源。并网逆变器在风力、光伏及燃料电池发电等并网发电中占有重要的地位,在很大程度上决定了并网发电所能输出到电网的电能质量好坏。本文针对电网与并网逆变器所需的实时双向交互能力,设计了基于FPGA+ARM构架的双核心控制器,可同时实现并网功能和实时在线控制功能。以下为本文的主要工作内容:
  1.本文研究了单级式工频隔离型三相并网逆变器基本结构和控制原理,分析了该系统双闭环的数学模型。通过在Matlab/Simulink环境下,对系统建模与分析,验证了所设计的参数的合理性。
  2.针对电网适应性中,由于电网中电压幅值不平衡、相角突变、频率波动及谐波干扰所引起的各类常见现象所导致的锁相问题,后在Matlab/Simulink仿真工具中搭建了在电网电压不平衡条件下的仿真模型,并对SSRF-PLL、DDSRF-PLL、DSOGI-PLL三种算法做了电网适应性的比较;又搭建改进的基于比例积分谐振(PIR)的三相不平衡锁相环模型,进而证明该改进方法的有效性和可行性。
  3.在基于FPGA构架内运用Verilog语言实现了并网逆变系统的各个功能模块,其中包括六通道高速并行A/D采样、PI控制器、坐标变换模块、SVPWM算法模块、锁相环模块以及死区设置模块,并在ModelSim仿真软件中成功进行了功能仿真。
  4.设计了基于FPGA+ARM构架的双核心控制器。针对FPGA高速并行运算的特点,可以将高速并行A/D采样、锁相环、PI调节、空间矢量调制、死区设置等实时性要求高的模块放入FPGA内处理;而针对ARM所拥有的较强的事物管理与任务调度能力,而将文件管理、交互人机界面与实时监控交由ARM控制器完成。
  5.设计了基于FPGA+ARM的小功率的实验装置,测试了相关的软件程序及控制器硬件,测取了电参量波形,验证了逆变调制及锁相环等理论,很好地证明了该系统设计的可行性,满足了实现逆变器电能转换功能与实时在线监视控制功能的相结合,为功率增加后的后续工作打下坚实基础。
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