电气工程学报, 2015, 10(6): 78-83 doi:

工程技术

基于FPGA的应急电源充电装置设计

樊冰剑1, 贾文超2, 王博3, 黄勇3

1.国网山东宁阳供电公司 宁阳 271400

2.长春工业大学电气与电子工程学院 长春 130012

3.吉林博安消防设备有限公司 长春 130000

Design of Emergency Power Supply Charger Based on Field-Programmable Gate Array

Fan Bingjian1, Jia Wenchao2, Wang Bo3, Huang Yong3

1.State Grid Ningyang Electric Power Company Ningyang 271400 China

2.ChangChun University of Technology Changchun 130012 China

3.Jilin Province Boan Fire Equipment Co,LTD Changchun 130000 China

责任编辑: 崔文静

收稿日期: 2015-01-19   网络出版日期: 2015-06-25

基金资助: 吉林省科技支撑计划项目.  20106034

Received: 2015-01-19   Online: 2015-06-25

作者简介 About authors

樊冰剑 男 1988年生,硕士研究生,研究方向为现代电力变换技术研究与应用。

贾文超 男 1965年生,教授,硕士生导师, 研究方向为数字化测控与电力变换。

摘要

传统的应急电源充电机常采用DSP作为处理器,实时控制效果不理想,鉴此研制了以FPGA EP3C25E144C8N为控制芯片的三相PWM整流装置作为应急电源蓄电池组充电机。采用基于空间矢量算法（SVPWM）的双闭环前馈解耦控制策略和分级定流的蓄电池充电方式,并编制了VHDL语言控制程序,实现了蓄电池安全可靠充电。系统仿真和样机实验结果验证了文中设计的三相PWM整流充电装置的正确性。

关键词： 充电机 ; PWM整流 ; 现场可编程门阵列 ; 蓄电池

Abstract

DSP was used as the processor for the traditional emergency power charger but the real-time control is poor. Therefore the three-phase PWM rectifier with the control chip of EP3C25E144C8N\FPGA is designed to solve this problem. This rectifier is designed with the double loop feedforward decoupling control based on SVPWM, multi-step constant current charging and VHDL language programme. The simulation and the result of the experiment results verify the excellence of the three-phase PWM rectifier.

Keywords： Charger ; PWM rectifier ; field-programmable gate array ; battery

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本文引用格式

樊冰剑, 贾文超, 王博, 黄勇. 基于FPGA的应急电源充电装置设计. 电气工程学报[J], 2015, 10(6): 78-83 doi:

Fan Bingjian. Design of Emergency Power Supply Charger Based on Field-Programmable Gate Array. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(6): 78-83 doi:

1 引言

EPS应急电源是为满足消防需要而设计的电源,在现代高层建筑中广泛应用。EPS应急电源充电机部分采用PWM可控整流装置可实现网侧电流正弦化,功率因数可控,直流输出电压、电流可调;同时,降低了充电机对电网的谐波污染,提高了系统的功率因数,降低了无功损耗。

传统的PWM可控整流装置一般选用DSP作为控制芯片,DSP芯片内部采用哈佛结构,流水线处理模式,可快速实现各种算法,但DSP芯片信号采用串行传输方式,无法对电压、电流等采样信号、控制信号实时传输,具有一定延时性,降低了系统的控制精度。而以FPGA为控制芯片的硬件电路,所有采样信号、程序并行执行,处理速度更快,满足了实时性的要求,提高了系统控制精度[1,2]。又因其体积小、集成度高、功耗低等优势,逐步成为可控整流装置设计中的首选器件[3]。

鉴此,本文设计实现了基于ALTER公司 Cyclone Ⅲ Ep3c25E144C8n FPGA控制芯片的应急电源充电装置,实现对蓄电池的安全高效充电。

2 可控整流装置拓扑结构及控制策略分析

文中的三相PWM可控整流装置采用三相电压型半桥整流电路,主要由网侧电感、整流桥和直流侧电容等组成,其拓扑结构如图1所示。网侧电感实现电流谐波的抑制,使网侧电流正弦化运行。直流侧利用电容作为储能元件,提高直流电压的抗干扰性能和直流电压的快速跟随能力。

图1

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图1   三相PWM整流装置的拓扑结构

Fig.1   Three-phase PWM Rectifier topology


本文采用直接电流控制的SVPWM的双闭环前馈解耦控制策略[4,5,6]。SVPWM空间矢量算法相对于传统的SPWM算法而言,调制度提高了15.47%,电压利用率得到提升,并易于数字化实现。同时电压外环和电流内环实现了对直流电压和网侧电流的有效控制。三相PWM整流装置的（d,q）数学模型

由式（1）可看出,有功电流id与无功电流iq相互耦合,无法实现对有功分量和无功分量的独立调节。为此采用前馈解耦的控制策略,实现控制器设计。设在两相旋转（d,q）坐标系下d轴电压vd与电网电压峰值Um相等,即Vd=Um,q轴分量Vq=0。设置vq和vd的解耦控制方程为

由式（2）、式（3）可见,通过解耦可实现有功电流和无功电流的独立控制,系统的控制框图如图2所示。

图2

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图2   系统的控制框图

Fig.2   The control diagram of system


3 整流装置建模及仿真实验

3.1 整流装置建模

文中搭建了三相PWM整流装置基于空间矢量算法的双闭环解耦控制仿真模型[7,8],如图3所示。该整流装置的核心模块包括：三相PWM整流主电路、坐标变换模块、SVPWM调制波生成模块、解耦控制模块以及PI调节器等。

图3

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图3   三相PWM整流装置仿真模型

Fig.3   The Simulation model of three-phase PWM rectifier


仿真模型的参数如下：电网输入电压160V、50Hz,网侧电感4mH,直流侧电容1 400μF,电压外环Kp = 0.053,Ki = 0.4,电流内环Kp = 0.8,Ki = 1.3。

3.2 仿真实验

在上述仿真参数下,进行了系统仿真实验。图4~图6为0.3s负载由50Ω转变到100Ω时的输出波形。图4为负载改变时直流母线电压的仿真输出波形。稳定状态时输出电压为274V,0.3s时负载改变,直流电压发生跌落,但由于控制系统的调控作用,在0.15s内直流电压回到274V稳定状态。

图4

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图4   直流电压的仿真波形

Fig.4   The simulation waveform of DC voltage


图5

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图5   A相电流的仿真波形

Fig.5   Simulation waveform of a phase current


图6

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图6   功率因数仿真波形

Fig.6   Simulation waveform of power factor


图5为负载改变时,网侧A相电流的仿真输出波形。 负载为50Ω时,输出电压274V,输出功率为1 500W,网侧输出电流为5.4A,当负载改变为100Ω时,输出功率减半,网侧电流减小为2.7A。

图6为负载改变时,网侧A相电流的仿真输出波形,稳定运行状态下,系统的功率因数大于0.97,基本处于单位功率因数整流运行状态。

4 实验样机设计及结果分析

4.1 实验样机设计

本文设计了1 500W基于FPGA CycloneⅢ Ep3c25E144C8n芯片控制的三相电压型PWM整流装置,为EPS应急电源蓄电池组（12V/17Ah/20节串联）充电。该系统硬件电路包含：主电路、控制电路、开关管驱动电路和信号采样电路。软件采用VHDL语言设计,主要包括：鉴相模块,AD采样模块,滤波模块和PWM波形产生模块等。样机框图如图7所示。

图7

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图7   三相PWM整流装置硬件结构图

Fig.7   The hardware structure diagram of three-phase PWM rectifier


借鉴上面的仿真结果,经反复实验,样机参数选择如下：电网输入电压380V、50Hz,降压变压器电压比380/160,开关频率12.8kHz,网侧电感8mH,直流侧电容940μF,电压外环Kp = 1,Ki = 100,电流内环Kp = 0.01,Ki = 5。

4.2 实验结果分析

4.2.1 阻性负载实验

图8~图10为负载由50Ω转变为100Ω时的输出波形。图8为负载改变时直流母线实验输出波形,母线输出电压基本稳定在274V,电压波动范围很小,当负载改变时,电压小范围跌落,在0.15s内恢复稳定。

图8

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图8   直流电压实验波形

Fig.8   Experimental waveform of DC voltage


图9

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图9   A相电流的实验输出波形

Fig.9   Experimental waveform of a phase current


图10

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图10   a 相电压和电流采样信号波形

Fig.10   The voltage and current sampling signal waveforms


图9为负载改变时,网侧A相电流的实验输出波形,此波形为采样输出波形,负载发生改变时,电流幅值减小,电流基本处于正弦化运行状态。

图10为50Ω负载稳定运行状态A相电压和电流的采样信号波形,由于采样信号为AB线电压和A相电流波形,理论上电压超前30°,因此实验样机稳定运行状态时功率因数基本为1。

4.2.2 蓄电池负载实验

本实验设计为20节12V、17Ah串联蓄电池组充电,工程经验可知20节蓄电池串联标准电压为240V,实际充满状态电压为274V,深度放电最低电压为204V。本实验采用了分级定流（三段式）的充电方式[9,10]。

图11为第一段恒流充电,当蓄电池深度放电时,为快速给蓄电池充电采用恒流充电方式,充电电流为1A（采样电压为605mV）,此时蓄电池电流恒定电压逐渐回升;电压波形如图12所示（由于示波器量程原因无法长时间测量,仅测量出电压短时间内的波形）,图示电压波形为218V,经多次测量恒流充电时充电电压由204V逐渐升至274V,呈缓慢上升趋势。

图11

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图11   恒流充电电流波形

Fig.11   The current waveform of constant current charging


图12

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图12   恒流充电电压部分波形

Fig.12   Part of voltage waveform of constant voltage charging


当电池电压达274V进入恒压充电方式,如图13、图14所示,充电电压恒定为274V,某一时刻的充电电流为0.17A（采样电压为110mV）经多次测量恒压条件下,充电电流由1A逐渐较小,呈下降趋势。

图13

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图13   恒压充电电压波形

Fig.13   The voltage waveform of constant voltage charging


图14

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图14   恒压充电电流部分波形

Fig.14   Part of current waveform of constant voltage charging


恒压充电条件下当检测到电流减小到0.1A,如图15（采样电压为61mV）所示,采用涓流充电,电压幅值基本不变保持在274V,如图16所示,一定时间后电池完全充满。

图15

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图15   涓流充电电流波形

Fig.15   The current waveform of trickle charging


图16

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图16   涓流充电电压波形

Fig.16   The voltage waveform of trickle charging


5 结论

本文设计了基于FPGA的三相应急电源充电装置。仿真实验结果显示,输出的直流电压稳定,电压波动在5V以内,负载改变时抗干扰性能强;网侧电流正弦度良好,电流谐波小;稳定运行时功率因数大于0.97。样机实验结果证明变载状态下直流电压、网侧电流能快速恢复到稳定状态,系统具有良好的鲁棒性,且基本运行在单位功率因数状态下。采用分级定流的充电方式可在10h内安全地完成充电,满足应急电源充电标准,实验样机可应用到实际工程中。

附 录

附图

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附图   实验样机

APP. Fig.   Experimental prototype


参考文献

赵馨, 佟首峰 .

基于FPGA的精跟踪系统

[J]. 仪器仪表学报, 2011,32(7):21-25.

[本文引用: 1]

Zhao Xin, Tong Shoufeng .

Fine tracking system based on FPGA

[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2011,32(7):21-25.

[本文引用: 1]

关守平, 尤富强, 董国伟 .

基于FPGA的高速数据采集系统设计

[J]. 控制工程, 2013,20(5):970-975.

[本文引用: 1]

Guan Shouping, You Fuqiang, Dong Guowei .

Design and development of the high-speed data acquisition system based on FPGA

[J]. Control Engineering of China, 2013,20(5):970-975.

[本文引用: 1]

杨海钢, 孙嘉斌, 王慰 .

FPGA器件设计技术发展综述

[J]. 电子与信息学报, 2010,32(3):714-727.

DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00751      URL     PMID:31882987      [本文引用: 1]

In the present study, we aim to help improve the design of van der Waals stacking, i.e., vertical 2D electronics, by probing charge transport differences in both parallel and vertical conducting channels of layered molybdenum disulfide (MoS2), with thin graphite acting as source and drain electrodes. To avoid systematic errors and variable contact contributions to the MoS2 channel, parallel and vertical electronics are all fabricated and measured on the same conducting material. Large differences in the on/off current ratio, mobility, and charge fluctuations, between parallel and vertical electronics are evident in electrical performance as well as in charge transport mechanisms. Further insights are drawn from a well-constrained analysis of both temperature-dependent current-voltage characteristics and low-frequency (LF) current fluctuations. This work offers significant insight into the fundamental understanding of charge transport and the development of future layered-materials-based integration technology.

Yang Haigang, Sun Jiabin, Wang Wei .

An overview to FPGA device design technologies

[J]. Journal of Electronics&Information Technology, 2010,32(3):714-727.

DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00751      URL     PMID:31882987      [本文引用: 1]

In the present study, we aim to help improve the design of van der Waals stacking, i.e., vertical 2D electronics, by probing charge transport differences in both parallel and vertical conducting channels of layered molybdenum disulfide (MoS2), with thin graphite acting as source and drain electrodes. To avoid systematic errors and variable contact contributions to the MoS2 channel, parallel and vertical electronics are all fabricated and measured on the same conducting material. Large differences in the on/off current ratio, mobility, and charge fluctuations, between parallel and vertical electronics are evident in electrical performance as well as in charge transport mechanisms. Further insights are drawn from a well-constrained analysis of both temperature-dependent current-voltage characteristics and low-frequency (LF) current fluctuations. This work offers significant insight into the fundamental understanding of charge transport and the development of future layered-materials-based integration technology.

梁营玉, 刘建政, 许杏桃 .

基于电源电流和负载电流检测的前馈加反馈的三相四线制APF控制策略

[J]. 电力自动化设备, 2015,35(1):94-100.

[本文引用: 1]

Liang Yingyu, Liu Jianzheng, Xu Xingtao .

Feedforward-feedback control strategy based on detection of power current and load current for three-phase four-wire APF

[J]. Electric Power Automation Equipment, 2015,35(1):94-100.

[本文引用: 1]

王恩德, 黄声华 .

三相电压型PWM整流的新型双闭环控制策略

[J]. 中国电机工程学报, 2012,32(15):24-30.

URL     [本文引用: 1]

同步旋转d-q坐标系下的电压、电流双闭环控制，广泛应用于三相电压型PWM整流器。该方案结构简单，比较适合基于数字处理芯片的数字控制系统。由于交流侧电感工艺存在差异，且当电流很大电感饱和时，电感值也会有变化，实际控制系统往往忽略掉耦合项；而电压外环的非线性也使得控制系统的性能提升受到限制。提出一种新的电压电流双闭环控制策略，其中电流内环借鉴合成矢量的思想，提出同步旋转d-q坐标系下无电感L参数的电流解耦控制方法；电压外环采用电压平方为控制量实现线性化的间接电压控制。仿真与实验结果均验证了所提方法的正确性和有效性。

Wang Ende, Huang Shenghua .

A novel double closed loops control of the three-phase voltage-sourced pwm rectifier

[J]. Proceedings of the CSEE, 2012,32(15):24-30.

URL     [本文引用: 1]

同步旋转d-q坐标系下的电压、电流双闭环控制，广泛应用于三相电压型PWM整流器。该方案结构简单，比较适合基于数字处理芯片的数字控制系统。由于交流侧电感工艺存在差异，且当电流很大电感饱和时，电感值也会有变化，实际控制系统往往忽略掉耦合项；而电压外环的非线性也使得控制系统的性能提升受到限制。提出一种新的电压电流双闭环控制策略，其中电流内环借鉴合成矢量的思想，提出同步旋转d-q坐标系下无电感L参数的电流解耦控制方法；电压外环采用电压平方为控制量实现线性化的间接电压控制。仿真与实验结果均验证了所提方法的正确性和有效性。

孟大鹏, 郑帅 .

基于三闭环控制的PWM整流充电技术的研究

[J]. 电力电子技术, 2013,47(7):22-24.

[本文引用: 1]

Meng Dapeng, Zheng Shuai .

Research on PWM rectifier and charging technique based on three closed-loop controlling

[J]. Power Electronics, 2013,47(7):22-24.

[本文引用: 1]

王崇武, 李宏 .

空间矢量PWM整流器仿真研究

[J]. 计算机仿真, 2010,27(5):252-256.

[本文引用: 1]

Wang Chongwu, Li Hong .

The Investigation on the PWM rectifier using the SVPWM

[J]. Computer Simulation, 2010,27(5):252-256.

[本文引用: 1]

汪万伟, 尹华杰, 管霖 .

双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定

[J]. 电工技术学报, 2010,25(2):67-72.

URL     [本文引用: 1]

The PI parameter setting of double closed-loop vector control of voltage source PWM rectifier is very important and largely depending on experience with few references available. In this paper, how the L、C values and PI parameters influence the output DC voltage waveform, AC side harmonics and power factor are studied by simulation in Matlab/Simulink, and based on which a simple and normalized method for the control system design and PI parameter setting is proposed. Some examples are given to illustrate the application of this method.

Wang Wanwei, Yin Huajie, Guan Lin .

Parameter setting for double closed-loop vector control of voltage source PWM rectifier

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010,25(2):67-72.

URL     [本文引用: 1]

The PI parameter setting of double closed-loop vector control of voltage source PWM rectifier is very important and largely depending on experience with few references available. In this paper, how the L、C values and PI parameters influence the output DC voltage waveform, AC side harmonics and power factor are studied by simulation in Matlab/Simulink, and based on which a simple and normalized method for the control system design and PI parameter setting is proposed. Some examples are given to illustrate the application of this method.

吴昇, 王清灵 .

基于可逆PWM整流器的蓄电池充放电装置

[J]. 电源技术, 2010,34(10):62-64.

[本文引用: 1]

Wu Sheng, Wang Qingling .

Battery charge and discharge device based on reversible PWM rectifier

[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2010,34(10):62-64.

[本文引用: 1]

李武峰, 罗小英, 边孝成 , 等.

电动汽车蓄电池充放电装置研究

[J]. 电力电子技术, 2013,47(8):89-91.

[本文引用: 1]

Li Wufeng, Luo Xiaoying, Bian Xiaocheng , et al.

Research on charging and discharging device of electric vehicle battery

[J]. Power Electronics, 2013,47(8):89-91.

[本文引用: 1]

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