基于DSP和FPGA的三電平逆變器快速控制方法

目前，隨著電力電子技術的發(fā)展，高壓大容量電力電子變換技術應用越來越廣泛，有進一步延伸為我國新的生產力和經濟增長點的趨勢，其發(fā)展前景與計算機信息產業(yè)等行業(yè)并駕齊驅” 。為了滿足高壓大功率的要求，在變換器中常用的有器件串并聯(lián)，但器件的串并聯(lián)會帶來開關器件的均壓、均流等一系列問題。20世紀80年代以來，多電平變換器拓撲的提出，無疑是一種解決這些問題的好方法。它是一種通過改進變換器本身拓撲結構來實現(xiàn)高壓大功率輸出的新型變換器，它無需升降壓變換器和均壓電路;同時，由于輸出電壓電平數的增加，使得輸出波形更接近調制波，降低了輸出電壓的畸變，減少了輸出電壓諧波。

本研究以二極管箝位型三電平逆變器拓撲為例，分析其控制策略，并采用“DSP+FPGA”結合來實現(xiàn)三電平逆變器的快速控制。

1 SVPWM 控制策略

二極管箝位型三電平逆變器的主電路拓撲如圖1所示。S1和S3，S2和S4 的驅動信號完全互補。因此，每一相有3種輸出開關狀態(tài)，假設輸出的三個電平從高到低依次為“2”、“1”和0’，2’表示正電平，“1，’表示零電平，“0”表示負電平。

SVPWM以其輸出電壓利用率高 ，中點電壓平衡易于控制等優(yōu)勢，目前得到了廣泛應用。由圖1可知，由于每相有3種輸出狀態(tài)，因此三相三電平逆變器有27種開關狀態(tài)，有效開關狀態(tài)有19種，即19種電壓矢量。本研究算法的本質是把給定參考矢量由三維參考系轉換成(g，h)參考系 ：

在轉換的(g，h)參考系中，三電平逆變器的開關狀態(tài)矢量如圖2所示。

由于在(g，h)坐標系中的坐標都采用截尾法處理，所有開關狀態(tài)矢量只有整數坐標。所有開關矢量都用整數坐標表示是非常有利的，因此，可以很容易求得最接近參考矢量的4個基本矢量坐標：

這些矢量的坐標組合成參考矢量坐標的整數值。矢量下標U代表其中的變量向上取整， 代表向下取整。

V ul 和V lu 始終是合成參考矢量的兩個基本矢量。第3個矢量由下面計算公式的正負號決定：

最后一步是把求得的(g，h)兩維坐標轉換成開關狀態(tài)的三維坐標：

像(1，0)這種小矢量坐標，可以轉換成2種開關狀態(tài)(1，0，0)和(2，1，1)，這個是小矢量的2種情況。可以通過輸入電容充放電平衡控制來選擇最合適的小矢量，它是由基于每個電容的電壓值和負載電流方向來決定的。

2 DSP和FPGA功能

本研究采用的“DSP+FPGA”是實現(xiàn)多電平實驗平臺的一種方案，可以快速方便地實現(xiàn)PWM 的輸出，而且采用邏輯運算更方便。

三電平逆變器的系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。圖3中，DSP功能采樣電壓電流信號后，把它們從靜止的三相坐標(abc)轉換成旋轉三相坐標(dqo)，并與給定參考值比較以得到差值。這個差值信號在PI調節(jié)器環(huán)節(jié)中補償后，由補償后的三相坐標(dqo)轉換成參考三相坐標(abc)，并合成參考矢量。再由空間矢量調制方法計算得到合成參考矢量的開關狀態(tài)，并計算得到相應的矢量占空比，接著求出每個矢量的時間間隔，最后把相應的合成參考矢量的基本矢量和時間間隔傳送到FPGA。

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