(天津瑞能电气有限公司 天津市 300000)
摘要：电力电子设备的广泛应用对电网注入了大量谐波和无功，造成严重的电网“污染”。谐波会影响线路稳定运行，造成电网功率损耗增加，缩短电缆的使用寿命，对周围环境产生电磁干扰影响通讯，还会使电气仪表测量不准确。这些产生谐波的电力电子设备中整流装置所占比例最大，这些不控或半控型整流装置含有大量低次谐波，消耗大量无功功率。常见的消除谐波装置有有源滤波器和并联电容柜。有源滤波器体积和重量都很大，损耗也较大。并联电容进行无功补偿是静态补偿，只能缓解整流器对电网的污染。因此，通过变换设备输入侧的电流和电压实现同相位，从而不再产生谐波不消耗无功功率，可从根本上解决整流设备对电网的影响。
关键词：FPGA；电力电子变换器控制系统设计；
随着电力系统的电力电子装置数量及容量的急剧增加，从小容量的家用电器到交直流调速传动的各类大中容量静止变流装置以及感应加热、电弧炉、电化学生产等。它们一方面从电网吸收大量的无功功率，影响电网的频率和电压稳定性；另一方面向电网排放大量谐波电流引起电网电压畸变，使传统的无功补偿问题复杂化。因此，电力谐波对电能质量的影响引起了人们的广泛关注和重视。
一、特点
矩阵变换器其先进的拓扑结构与交直交变换器相比，具有以下优势：矩阵变换器可调制出正弦输入电流、输入功率因数可近似，且与负载特性无关，满足电网无污染要求。矩阵变换器输入电流畸变率低，位移因子正负可调，可作为无功功率补偿装置对电网侧进行无功功率补偿。交直变换器使用四象限开关，能够实现带各类机械负载的四象限运行，满足生产设备对传动电源的要求。矩阵变换器输出产生的共模电压及大幅波动产生的共模电流较交直交变换器均大大降低，减少了EMI辐射，可改善电动机与传动电源之间的电磁兼容性。矩阵变换器无中间直流环节及相应的滤波电容，动态响应快，传输能量密度大，体积小。由此看出，矩阵变换器是一种控制性能优良且可解决电力公害问题的新型变频电源。目前，对矩阵变换器的研究引起了国内外电力电子行业的广泛重视，可以预见未来几年中，这种变换器很有可能取代交直交变换器，成为下一代新型电力变换器。且随着研究的深入，矩阵变换器独特的优势极有可能发展成通用的电源变换器，成为主电路和控制系统均高度集成化的产品，开拓新的变频器时代。因此对矩阵变换器进行深入研究是极具现实意义的，必定会给节能、电气传动及高性能交流伺服控制等领域带来深远影响，产生巨大社会效益及经济效益。
二、基于FPGA的电力电子变换器控制系统设计
1.变换器调制策略。与FPGA相比内部的硬件电路是不可更改的，只能在所提供的硬件基础上对其进行软件编程，而对FPGA进行编程本质上是进行硬件电路设计，即软件功能的硬件化实现。并且不同于程序的顺序执行方式，FPGA的硬件架构决定控制任务可并行执行，大大提高算法执行速度，在大数据吞吐量、数据并行，尤其在电流闭环控制。开关器件高精度时序触发、直接转矩控制等领域更能发挥FPGA并行执行构架的优势，其控制结构框如图1所示。变换器付诸实现的首要问题就是要寻求一个既易于实现又满足输入相不能短路、输出相不能开路条件的开关调制矩阵。采用该调制策略不仅可以运用成熟的高频整流和高频逆变PWM波形合成技术，使变换器的性能得到较大改善，而且具有电压传输比最大可达到0.866，占空比计算量小，方便结合电机负载进行矢量控制系统设计等特点。对阻感负载条件下的矩阵变换器输入、输出特性进行分析研究，一方面对理论研究结论进行验证，一方面为基于空间矢量调制策略的矩阵变换器控制器的软硬件设计奠定基础。交直交变换器最大优点就是可以实现能量的双向流动，对于交流电动机负载可实现四象限运行，将能量回馈给电网实现再生制动。选择高性能的DSP芯片和适于复杂逻辑电路设计的FPGA芯片作为控制器实现的硬件基础，使复杂的空间矢量控制策略得到简化。
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（结构框图如图1）
2.控制器外围硬件电路设计。DSP灵活的软件编程方式和集成的硬件接口是其广泛应用的主要原因。DSP的外部指令包含输出电压幅值、频率给定以及输入功率因数角给定信号。这些信号采用电位器进行调节与DSP的模拟量输入通道相连，通过内部集成的ADC转换为数字量。整个控制系统划分为:A/D 转换控制模块、同步控制和调制信号生成模块、PWM调制模块、全局控制模块4个主要模块及用于测试和系统设置的开/闭环控制及输出参考选择模块。各模块又根据具体功能继续向下划分至功能更加基础的模块，例如同步控制和调制信号生成模块可继续划分为Park变换模块、窗口/IIR滤波模块、信号标准化模块3个子模块，如图2所示。控制器采用用于高性能传动控制领域的32位定点DSP，该DSP的内核是专门为工业自动化及自动化控制等应用领域设计的，可提供高达l50MIPS的计算带宽，实时对复杂的控制算法进行处理，如无速度传感器控制、随机PWM生成、功率因数校正算法等。矩阵变换器的空间矢量调制算法涵盖了DSP芯片多种外设资源，包括事件管理器EV、模数转换模块、看门狗、通用目的数字量I／0、PLL时钟模块和外部中断接口，这些应用外围设备单元为高性能控制系统的设计和实现，提供了可靠而高效的信号处理与控制硬件。采用非对称采样法，基于数字控制系统在载波顶点时刻触发采样，载波周期系统由激活采样通过控制得出理想调制电压瞬时值完成总时间，再经等待时间后到达下一次载波顶点，将更新至参考电压比较值，由触发采样至脉冲更新，系统共延时1个采样周期，考虑调制的零阶保持器特性，固有延时为1.5个采样周期。若采用FPGA作为控制器，可通过异步过采样减小TW，提高调制电压刷新频转换时间，消除调制带来的固有延时，使数字控制系统特性最大程度接近于模拟控制电路性能。基于FPGA数字控制系统的高实时性是以消耗其内部硬件资源为代价的，在系统设计过程中要充分考虑硬件资源消耗与算法执行速度间的平衡，使硬件资源得到高效利用。
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（图2）
3.变换器实现的关键技术问题。矩阵变换器功率变换主电路由双向开关矩阵、输入滤波器和箝位电路组成。其中，以共集电极反向串联形式组成的双向开关构成的矩阵变换器功率变换主电路，具有过压保护的贮能作用和动能缓冲功能，用于防止不安全换流、电网过压、系统突然上电及掉电等情况造成的尖峰电压对功率元件的损坏。换流安全性与换流策略和电量检测是分不开的。目前，人们已找到多种矩阵变换器的换流方式，其中涉及到的电量检测、换流步数、换流时间、开关损耗以及换流影响也各不尽相同。过压保护筘位电路用于保护双向开关的开关管免于击穿。正常工作时箝位电路应能吸收换流过程中产生的过压，故障情况下，如过流保护引起所有开关管同时关断，箝位电路用于提供电流的续流通道，防止感性负载因突然断路产生过压击穿功率管。输入滤波器虽然可消除输入电流的高次谐波，但会引起基频输入电流的相移，当负载阻抗改变时，引起的相位偏移角也相应变化。因而为了实现功率因数，需要对输入功率因数角进行闭环控制。
结束语：
作为新型功率变换器，矩阵变换器的研究还不成熟。但目前对变换器控制策略的研究已较深入。虽然电路能提供一定的保护，国际上也有报道采用一些新型器件解决过压问题，但如何提供可靠且易实现的保护措施，仍是一个颇具挑战性的课题。对FPGA在电力电子变换器控制系统设计中的应用具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]张悦. 基于FPGA 的PWM 整流控制器研究[D]. 天津：天津理工大学，2018.
[2]林飞. 电力电子应用技术的MATLAB 仿真[M]. 北京：中国电力出版社，2019.