[論文レビュー] FPGA Based Sinusoidal Pulse Width Modulated Waveform Generation for Solar (PV) Rural Home Power Inverter

Shakti Singh, Arun Kumar Singh|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2010

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、Xilinx Spartan 3E FPGAとVHDLを用いた、太陽光発電で駆動される農村部向け家庭用インバーター向けのFPGAベースの正弦波パルス幅変調（SPWM）波形生成システムを提案する。新規の直接PWM変調戦略により、ハードウェアの変更なしにインバーターの電圧、周波数、PWMパルス数を柔軟かつリアルタイムで制御可能であり、シミュレーションおよびプロトタイプテストによる検証で波形生成と検証に成功した。

ABSTRACT

With the increasing concern about global environmental protection and energy demand due to rapid growth of population in developing countries and the diminishing trend of resources of conventional grid supply, the need to produce freely available pollution free natural energy such as solar/wind energy has been drawing increasing interest in every corner of the world. In an effort to utilize these energies effectively through Power converter, a great deal of research is being carried out by different researchers / scientist and engineers at different places in the world to meet the increasing demand of load. The study presents methodology to integrate solar (PV) energy (which is freely available in every corner of the world) with grid source and supplement the existing grid power in rural houses during its cut off or restricted supply period. In order to get consistency in supply a DG is also added as a standby source in the proposed integration of network. The software using novel Direct PWM modulation strategy and its soft control features extend the flexibility to control converter (inverter) parameters like voltage, frequency, number of samples of PWM pulses constituting sine-wave without changing any hardware configuration in the circuit. The system simulation of PWM Pulse generation has been done on a XILINX based FPGA Spartan 3E board using VHDL code. The test on simulation of PWM generation program after synthesis and compilation were recorded and verified on a prototype sample.

研究の動機と目的

• 発電網が不安定または存在しない発展途上国における農村部の家庭向けに、低コストで信頼性の高いインバータソリューションを開発すること。
• 停電時における継続的な電力供給を確保するため、太陽光発電（PV）エネルギーとバックアップ用ディーゼル発電機（DG）を統合すること。
• FPGAを用いた柔軟で再設定可能なSPWM生成システムを設計し、インバータの性能と制御性を向上させること。
• ハードウェアの変更なしに、インバータのパrameter（電圧、周波数、PWMパルス数）をリアルタイムで調整できること。

提案手法

• Xilinx Spartan 3E FPGAプラットフォーム上でVHDLを用いた直接PWM変調戦略の実装。
• 純正弦波を生成するための正弦波リファレンス信号ジェネレータの設計。
• 正弦波リファレンス信号と高周波の三角波キャリア信号を比較することでSPWMパルスを生成。
• FPGA内にソフトウェア制御機能を組み込み、電圧や周波数などのインバータパrameterをソフトウェアで動的に調整可能にした。
• VHDLコードの合成とコンパイルを行い、物理的プロトタイプでのシミュレーションおよびハードウェアテストを実施。
• オシロスコープを用いたテストと期待される正弦波特性との比較により、生成されたSPWM波形の検証を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェア変更なしに、インバーター出力パrameter（電圧、周波数、PWMパルス数）を柔軟かつリアルタイムで制御可能なFPGAベースのSPWMシステムをどのように設計できるか？
• RQ2 直接PWM変調戦略が、太陽光発電で駆動される農村部向けインバーター向けに高品質な正弦波波形を生成する効果的さはいかほどか？
• RQ3 太陽光供給が不安定な農村電力システムにおいて、ディーゼル発電機（DG）をバックアップ電源として統合することで、信頼性がどのように向上するか？
• RQ4 負荷や入力条件の変化に応じても、FPGAベースのSPWMシステムが正確かつ安定した波形生成を達成できるか？
• RQ5 低コストのXilinx Spartan 3E FPGAボードに実装した場合、システムの性能はどの程度か？

主な発見

• FPGAベースのSPWMシステムは、最小限の高調波歪みを伴う高品質な正弦波波形を正常に生成し、住宅用利用に適していた。
• 直接PWM変調戦略により、ハードウェアを変更せず、電圧、周波数、PWMパルス数をソフトウェアでリアルタイムで制御可能であった。
• システムはXilinx Spartan 3E FPGAに正常に合成され、ハードウェア実装の可能性が確認された。
• 合成後のシミュレーションおよびプロトタイプテストにより、生成されたSPWM波形の正しさと安定性が検証された。
• ディーゼル発電機（DG）をバックアップ電源として統合することで、太陽光供給の不安定時やグリッド障害時にも電力供給の途切れを防げるようになった。
• VHDLの使用により、再設定可能でスケーラブルかつ保守性の高いインバータ制御システムが実現され、農村部への導入に最適であった。