專利名稱：一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三電平逆變器控制系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種基于正弦波調(diào)制的、采用直流偏置技術(shù)和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)的三電平逆變器控制系統(tǒng)及方法。屬于大容量、中高壓異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
三電平逆變器已在大功率變頻調(diào)速、電力系統(tǒng)有源濾波及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著高壓IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(集成門極換相晶閘管)、IEGT等器件的電壓、電流等級(jí)的提高，該拓?fù)浔貙⒌玫礁鼜V泛應(yīng)用。中點(diǎn)箝位三電平變換是大功率、中壓(1～6KV)領(lǐng)域中最常用的拓?fù)渲唬瓤蓸?gòu)成PWM(多電平逆變器的脈寬調(diào)制控制方法，以下簡(jiǎn)稱PWM)逆變器又可構(gòu)成PWM整流器。
三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有二極管箝位式，如圖1，由于二極管的箝位，這種逆變器每個(gè)開關(guān)器件承受的最大電壓為直流側(cè)電壓的1/2，從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件完成中高容量的變換。另外，由于相電壓有三種電平狀態(tài)，比傳統(tǒng)的二電平逆變器多了一個(gè)電平，其諧波水平明顯低于二電平逆變器，輸出相同質(zhì)量電流波形的時(shí)候，開關(guān)頻率可以降低到兩電平的1/4。然而由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用了12個(gè)開關(guān)器件，其控制方法也隨之復(fù)雜。
三電平逆變器的控制方法主要有空間矢量控制SVPWM方法、特定消諧SHE-PWM方法、正弦波調(diào)制SPWM方法。
三電平空間矢量控制SVPWM方法的優(yōu)點(diǎn)主要是電壓利用率高，對(duì)于二極管中點(diǎn)箝位的變換電路可以利用電壓矢量(一般都是小矢量)來實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的平衡；其缺點(diǎn)是數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)計(jì)算量非常大。比如，桂紅云、姚文熙、呂征宇所寫的《DSP空間矢量控制三電平逆變器的研究》(《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》2004.vol.28 No.1162～65)，文章介紹了基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)實(shí)現(xiàn)三電平逆變器空間矢量實(shí)現(xiàn)方法，為了減小輸出電壓諧波，在每個(gè)PWM控制周期內(nèi)將給定電壓用該矢量所在處的小三角形對(duì)應(yīng)的三個(gè)電壓矢量來合成，三電平逆變器共輸出19空間電壓矢量，有24個(gè)小扇區(qū)，因此控制復(fù)雜。
特定消諧SHE-PWM方法，通過開關(guān)時(shí)刻的優(yōu)化選擇，可以在較低的開關(guān)頻率下，產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形，從而減小了電流波紋和電動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩在輸出同樣質(zhì)量波形的時(shí)候，它較其它的方法，開關(guān)次數(shù)最少，效率最高；但是這種方法的一個(gè)難點(diǎn)就是計(jì)算開關(guān)角的時(shí)候，要解超越方程，計(jì)算比較困難。比如，陳遠(yuǎn)華的《基于DSP實(shí)現(xiàn)的特定消諧PWM脈沖發(fā)生器》(《清華大學(xué)學(xué)報(bào)》2003.vol.43.No.3349～351)所介紹的特定消諧算法，提前算出各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的開關(guān)角度存入內(nèi)存，實(shí)際運(yùn)行中查表產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。又比如，中山市明陽公司原三電平PWM控制系統(tǒng)采用特定諧波消除脈寬調(diào)制控制(簡(jiǎn)稱消諧法)，它提前算出各個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的開關(guān)時(shí)刻存在存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過查表，產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)不能快速改變，所以系統(tǒng)的快速性不好，并且占用內(nèi)存多。
本發(fā)明為了克服以上的缺點(diǎn)，進(jìn)行了有益的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種快速性好、控制簡(jiǎn)單、實(shí)用的三電平逆變器的控制系統(tǒng)及方法。
為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明采用下列技術(shù)方案一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)，含有中點(diǎn)箝位三電平電壓源逆變器(NPC)，它還含有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送的控制電壓指令后產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)；如上所述的一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)，三電平電壓源逆變器(NPC)為集成門極換相晶閘管(IGCT)串聯(lián)運(yùn)行式三電平電壓源逆變電路；如上所述的一種三電平逆變器的控制方法，所述數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于事務(wù)處理和一些保護(hù)工作；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)用于產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)，直流偏置和死區(qū)補(bǔ)償都在FPGA中實(shí)現(xiàn)；一種三電平逆變器的控制方法，包括以下步驟數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送用于控制三電平逆變器的三相參考電壓的空間電壓矢量幅值m和幅角θ；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送的空間電壓矢量幅值m和幅角θ，產(chǎn)生三相電壓調(diào)制信號(hào)Vca、Vcb、Vcc，Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)；再分別和正三角波、負(fù)三角波比較產(chǎn)生控制脈沖；如上所述的一種三電平逆變器的控制方法，所述數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于事務(wù)處理和一些保護(hù)工作；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)用于產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)，直流偏置和死區(qū)補(bǔ)償都在FPGA中實(shí)現(xiàn)；如上所述的一種三電平逆變器的控制方法，所述的直流偏置技術(shù)是，當(dāng)m小于0.2時(shí)，即Vca、Vcb、Vcc同時(shí)加0.5，下一個(gè)控制周期都減0.5，再下一控制周期都加0.5，如此循環(huán)，能解決m小時(shí)的窄脈沖問題；如上所述的一種三電平逆變器的控制方法，所述的死區(qū)補(bǔ)償是先根據(jù)各相相電流方向，確定將要輸出控制信號(hào)的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償量，疊加到所述的三相電壓調(diào)制信號(hào)Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)中即可以補(bǔ)償死區(qū)影響；A、B、C三相控制方法相同，分別根據(jù)各相相電流及死區(qū)狀態(tài)確定補(bǔ)償量；如上所述的一種三電平逆變器的控制方法，利用FPGA并行處理能力，并且能夠處理數(shù)字量，三角波通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，正三角波為先遞減再遞增計(jì)數(shù)器，負(fù)三角波為先遞增再遞減計(jì)數(shù)器。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的基于三角波比較PWM控制法可以滿足三電平逆變器的要求，比常用的空間矢量法簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好；2、采用三次諧波偏置技術(shù)后，三相三電平逆變器的最大輸出電壓和空間電壓矢量法一樣，并且比空間矢量控制方法簡(jiǎn)單；3、采用±0.5交替直流偏置技術(shù)可以克服由最小導(dǎo)通時(shí)間限制帶來的低輸出電壓控制困難；4、本控制方法有直流電源中點(diǎn)電位自平衡能力；5、死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用使輸出電壓波形諧波大為減小。

圖1、三電平逆變器主電路圖；圖2.a、單相三電平逆變器主電路圖；圖2.b、單相三電平逆變器控制電路圖；圖2.c、單相三電平逆變器主電路的輸出波形圖；圖3、Vca及其基波圖；圖4.a、加入+0.5直流偏置后的波形圖；圖4.b、加入-0.5直流偏置后的波形圖；圖5、狀態(tài)D1對(duì)輸出影響及補(bǔ)償圖；圖6、狀態(tài)D2對(duì)輸出影響及補(bǔ)償圖；圖7、死區(qū)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量圖；圖8、FPGA實(shí)現(xiàn)方法圖；圖9.a、逆變輸出線電壓不帶死區(qū)補(bǔ)償逆變輸出圖；圖9.b、逆變輸出線電壓帶死區(qū)補(bǔ)償逆變輸出圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述(一)、概述三電平逆變器主電路示于圖1。每相橋臂由4個(gè)開關(guān)器件及2個(gè)箝位二極管組成，輸出有三種工作狀態(tài)“+”—+Ed；“0”—0V；“-”—-Ed。由此，可定義一個(gè)三值的開關(guān)函數(shù)，如SA(1，0，-1)就表示A相交流側(cè)電壓的三個(gè)電壓狀態(tài)，每相情況都相同，由此推出三電平逆變器三相輸出共33＝27個(gè)狀態(tài)，按照電壓空間矢量定義 式中SA、SB和SC為A、B、C三相輸出狀態(tài)開關(guān)函數(shù)，Sm＝1代表“+”態(tài)，0代表“0”態(tài)，-1代表“-”態(tài)。這27個(gè)狀態(tài)共構(gòu)成19個(gè)電壓矢量，示于圖2，其中“0”矢量含3種狀態(tài)；構(gòu)成內(nèi)六邊形的6個(gè)矢量，每矢量含2個(gè)狀態(tài)；構(gòu)成外六邊形的12個(gè)矢量，每矢量對(duì)應(yīng)1個(gè)狀態(tài)。
(二)、單相三電平逆變的PWM控制法單相三電平逆變器主電路示于圖2.a。輸出電壓Vo有三種狀態(tài)狀態(tài)+，Vo＝Ed，S1和S2導(dǎo)通，S3和S4關(guān)斷；狀態(tài)0，Vo＝0，S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷；狀態(tài)-，Vo＝-Ed，S3和S4導(dǎo)通，S1和S2關(guān)斷。
基于三角波比較的三電平PWM控制電路及各點(diǎn)波形分別示于圖2.b和c?？刂齐娐酚蓛山M三角波發(fā)生器(SAW-P和SAW-N)及兩帶反號(hào)的比較器(COMP-P和COMP-N)組成，SAW-P和COMP-P產(chǎn)生S1和S3的觸發(fā)信號(hào)GS1和GS3；SAW-N和COMP-N產(chǎn)生S2和S4的觸發(fā)信號(hào)GS2和GS4。SAW-P輸出的三角波在0和1間變化，當(dāng)控制信號(hào)Vc＞0時(shí)，它只與SWP有交點(diǎn)，S1和S3每開關(guān)周期(Ts)開關(guān)一次，S2和S4狀態(tài)不變；當(dāng)控制信號(hào)Vc＜0時(shí)，它只與SWN有交點(diǎn)，S2和S4每開關(guān)周期(Ts)開關(guān)一次，S1和S3狀態(tài)不變。
當(dāng)Vc＞0時(shí)在T1期間，GS2和GS3＝1，GS1和GS4＝0，輸出Vo＝0
在T2期間，GS1和GS2＝1，GS3和GS4＝0，輸出Vo＝1同理在T3期間Vo＝1，T4期間Vo＝0。
當(dāng)Vc＜0時(shí)在T1期間，GS2和GS3＝1，GS1和GS4＝0，輸出Vo＝0在T2期間，GS3和GS4＝1，GS1和GS2＝0，輸出Vo＝-1同理在T3期間Vo＝-1，T4期間Vo＝0。
Vo波形在Ts期間內(nèi)是中心對(duì)稱波形，調(diào)制帶來的諧波小。
(三)、三相三電平逆變的PWM控制法驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)為正弦信號(hào)，若Vc＝m·sin(ω0t+θ0)(2)式中m-幅值(當(dāng)三角波幅值為1時(shí)，0≤m≤1)，ω0-輸出角頻率，θ0-初始角，Vc為三電平正弦脈寬調(diào)制波。
三相三電平逆變器的主電路示于圖1。用三套圖2.b所示控制電路(三套控制電路中的三角波發(fā)生器SAW-P和SAW-N可共用)分別控制三相的開關(guān)器件，令三個(gè)控制信號(hào)為互差120°的正弦波。
則三相逆變器的輸出電壓Voa、Vob、Voc為三個(gè)互差120°的三電平正弦調(diào)制波。這樣控制的三相逆變器最大輸出正弦交流電壓幅值為Vom·max＝Ed而采用空間電壓矢量法控制時(shí)Vom·max=23Ed]]>比上述方法大15.5％。其原因是采用三角波比較法，并按式(3)控制時(shí)負(fù)載中點(diǎn)NL和直流電源中點(diǎn)NC間的電壓VCL＝0(一個(gè)開關(guān)周期平均值)，而采用空間電壓矢量控制時(shí)，VCL是一個(gè)3倍頻率的交流電壓，當(dāng)U相輸出電壓正最大時(shí)，V相和W相輸出的一半電壓，VCL向負(fù)偏，從而提高了輸出能力。
三角波比較法輸出能力不足的問題可通過使用三次諧波偏置技術(shù)解決，即在三個(gè)控制信號(hào)加入同樣的三次諧波 式中θ＝ω0t+θ0加入三次諧波后的Vca波形及基波波形示于圖3，從圖中看出Vca是“準(zhǔn)梯形波”其最大值Vcmax比其基波幅值小15.5％。逆變器輸出相電壓Vo(一個(gè)開關(guān)周期平均值)也是一個(gè)準(zhǔn)梯形波，同樣含有基波和三次諧波，且基波幅值比準(zhǔn)梯形波最大值大15.5％，這時(shí)兩中點(diǎn)間電壓VCL也是一個(gè)3倍輸出頻率的交流電壓。
由于sin3θ＝sin3(θ-120°)＝sin3(θ+120°)三相輸出電壓中的三個(gè)三次諧波彼此大小和相位相同，在輸出線電壓中它們彼此抵消，僅?；?。因此，線電壓輸出能力比沒有三次諧波偏置提高15.5％，和空間電壓矢量法一樣。
三次諧波偏置在FPGA(圖1)實(shí)現(xiàn)，在它的存儲(chǔ)器中存入f(θ)＝sinθ+0.17sin3θ曲線，當(dāng)CPU送來m，ω0和θ0信號(hào)后，先用加法器計(jì)算θ＝ω0t+θ0和ω0t+θ0±120°，然后查曲線f(θ)和乘m得三相控制信號(hào)，三個(gè)控制電路都做在FPGA中。
(四)、直流偏置技術(shù)由式4，當(dāng)θ接近0或π時(shí)，Vcu將很小，開關(guān)器件S1或S4導(dǎo)通時(shí)間將很短。為安全工作，這導(dǎo)通時(shí)間的最小值是有限制的，必須大于器件本身的開通時(shí)間，于是θ在0或π附近出現(xiàn)一段不按式4控制的區(qū)間，導(dǎo)致Vo出現(xiàn)諧波。m值越小，不控區(qū)間越大，諧波越大，這問題可通過使用直流偏置技術(shù)解決。
從三次諧波偏置受到啟發(fā)，如果在三相控制信號(hào)中加入同樣的直流偏置信號(hào)，三相輸出電壓也將含有同樣直流偏移電壓，在線電壓中這直流偏移電壓相互抵消，僅輸出基波分量。
在0＜m＜0.5時(shí)，今三相控制電壓 式中θ＝ω0t+θ0，“+”表示正偏置，“-”表示負(fù)偏置由于m＜0.5，加入+0.5偏置后，三相控制信號(hào)都大于0，無負(fù)工況；加入-0.5偏置后，三相控制信號(hào)都小于0，無正工況。Vca＞Vcb＞Vcc時(shí)的波形圖示于圖4。
+0.5偏置時(shí)，三個(gè)輸出電壓都為正方波，線電壓Voab＝Voa-Vob為兩個(gè)方波(輸出頻率加倍)；-0.5偏置時(shí)，三個(gè)輸出電壓都是負(fù)方波，線電壓Voab仍為兩個(gè)正方波。
當(dāng)m很小時(shí)，三相控制信號(hào)都接近0.5，輸出線電壓方波寬度很小，但相電壓方波寬度(器件開關(guān)占空比)D≈0.5，遠(yuǎn)大于最小開關(guān)時(shí)間限制值。
加入直流偏置后會(huì)影響直流電源中點(diǎn)電位NC。+0.5偏置后，負(fù)載電流將通過箝位二極管向電容CL充電，NC向正偏移，-0.5偏置后，NC向負(fù)偏移。為解決該問題，令正負(fù)偏置每隔2Ts交替一次，即在KTs到(K+1)Ts期間用+0.5偏置，在(K+1)Ts到(K+2)Ts期間用-0.5偏置，(K+2)Ts到(K+3)Ts期間再換回+0.5偏置，如此循環(huán)，NC將不偏移。在±偏移轉(zhuǎn)換瞬間的前后正好三相輸出都處于“0”態(tài)，轉(zhuǎn)換過程不影響輸出狀態(tài)。
(五)、死區(qū)補(bǔ)償圖1中，每個(gè)臂橋中只能有兩個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，絕不允許有3個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，如果3個(gè)同時(shí)導(dǎo)通會(huì)引起短路；但是，由于所采用的開關(guān)器件都不是很理想，開關(guān)器件的開通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間，因此必須對(duì)開關(guān)控制信號(hào)加入死區(qū)時(shí)間。
由前面給出的控制方法知，三電平逆變器不存在從+1到-1及從-1到+1的直接過渡，只有+1和0以及0和-1之間的過渡。規(guī)定電流流出橋臂為正，流入為負(fù)。表1示出橋臂輸出電流i不同方向時(shí)，各開關(guān)狀態(tài)橋臂內(nèi)電流流向，其中狀態(tài)D1和狀態(tài)D2為死區(qū)狀態(tài)，分別為從+1到0以及從0到-1安全過渡插入的狀態(tài)。+1→0過渡，先關(guān)斷S1后開通S3；0→+1過渡，先關(guān)斷S3后開通S1；0→-1過渡，先關(guān)斷S2后開通S4；-1→0過渡，先關(guān)斷S4后開通S2。下面，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)及電流流向，總結(jié)補(bǔ)償規(guī)律。
表1.橋臂內(nèi)電流流向與開關(guān)狀態(tài)及橋臂輸出電流方向關(guān)系 A.狀態(tài)D1對(duì)輸出影響及補(bǔ)償方法見圖5中，td代表死區(qū)時(shí)間，Ts代表開關(guān)周期。
當(dāng)期望輸出如圖5.a所示波形時(shí)，無補(bǔ)償時(shí)S1控制信號(hào)如5.b所示，S3控制信號(hào)如圖5.c所示，S2和S4控制信號(hào)不變化，沒畫出。當(dāng)電流流出橋臂時(shí)，狀態(tài)D1內(nèi)橋臂內(nèi)電流流向是從0→D1→S2→Vo，此時(shí)輸出電壓被箝位在0電平；當(dāng)電流流入橋臂時(shí)，狀態(tài)D1內(nèi)電流流向?yàn)閂o→SD2→SD1→+Ed，此時(shí)輸出電壓被箝位在+Ed。電流方向不同，死區(qū)狀態(tài)內(nèi)輸出電壓也不同，如圖5.d所示。圖5.e示出實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓差值即死區(qū)造成誤差。比較可得，電流流出橋臂時(shí)，實(shí)際輸出電壓比理想輸出少輸出td時(shí)間的Ed；電流流入橋臂時(shí)，輸出電壓比理想電壓多輸出td時(shí)間的Ed。
數(shù)字控制系統(tǒng)可以確定將要輸出控制信號(hào)上升沿與下降沿時(shí)刻，利用這一點(diǎn)，可以在控制信號(hào)中分別使上升沿和下降沿提前或滯后td，即可以補(bǔ)償死區(qū)影響。如圖5.f所示，電流流出時(shí)，S1補(bǔ)償后控制信號(hào)上升沿比補(bǔ)償前提前td；電流流入時(shí)，S1補(bǔ)償后控制信號(hào)下降沿提前td，S3控制信號(hào)與S1控制信號(hào)互補(bǔ)，并且加入死區(qū)(如圖5.g所示)即可得到期望輸出。
比較理想輸出和補(bǔ)償后S1控制信號(hào)發(fā)現(xiàn)電流流出時(shí)，S1補(bǔ)償后控制信號(hào)與期望輸出波形相同；電流流入時(shí)，相當(dāng)于理想輸出在前后沿分別滯后和提前td。
B.狀態(tài)D2對(duì)輸出影響及補(bǔ)償方法當(dāng)期望輸出如圖6.a所示波形時(shí)，無補(bǔ)償時(shí)S4控制信號(hào)如6.b所示，S2控制信號(hào)如6.c所示，S1和S3控制信號(hào)不變化，沒畫出。當(dāng)電流流出橋臂時(shí)，狀態(tài)D2內(nèi)橋臂內(nèi)電流流向是從-Ed→SD4→SD3→Vo，此時(shí)輸出電壓被箝位在-Ed；當(dāng)電流流入橋臂時(shí)，狀態(tài)D2內(nèi)電流流向?yàn)閂o→S3→D2→0，此時(shí)輸出電壓被箝位在0電平。電流方向不同，死區(qū)狀態(tài)內(nèi)輸出電壓也不同，如圖6.d所示，圖6.e示出實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓差值即死區(qū)造成誤差。比較可得，電流流出橋臂時(shí)，輸出電壓比期望電壓多輸出td時(shí)間的-Ed；電流流入橋臂時(shí)，輸出電壓比理想電壓少輸出td時(shí)間的-Ed。
如圖6.f所示，電流流出時(shí)，S4補(bǔ)償后控制信號(hào)下降沿比補(bǔ)償前提前td；電流流入時(shí)，S4補(bǔ)償后控制信號(hào)上升沿提前td，S2控制信號(hào)與S4控制信號(hào)互補(bǔ)，并且加入死區(qū)(如圖6.g所示)即可得到期望輸出(如圖6.h所示)。
比較理想輸出和補(bǔ)償后S4控制信號(hào)發(fā)現(xiàn)電流流出時(shí)，相當(dāng)于S4控制信號(hào)理想輸出在前后沿分別滯后和提前td；電流流入時(shí)，與理想輸出波形相同。
具體的補(bǔ)償方法可以是這樣的如圖7三角波幅值為1，周期為Ts，則Xd＝2td/Ts。對(duì)于同一載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)變化Xd，對(duì)應(yīng)的觸發(fā)沿將提前或滯后td。
結(jié)合前面給出的三電平PWM控制方案和死區(qū)補(bǔ)償原理得消除死區(qū)影響方法i＞0時(shí)每相四個(gè)功率管控制信號(hào)(調(diào)制信號(hào)大于載波信號(hào)產(chǎn)生導(dǎo)通信號(hào))GS1調(diào)制信號(hào)直接和正三角波比較；GS3調(diào)制信號(hào)加上Xd后和正三角波比較，得到結(jié)果再取反；GS2調(diào)制信號(hào)直接和負(fù)三角波比較；GS4調(diào)制信號(hào)加上Xd后和負(fù)三角波比較，得到結(jié)果再取反；i＜0時(shí)每相四個(gè)功率管控制信號(hào)GS1調(diào)制信號(hào)減去Xd后和正三角波比較；GS3調(diào)制信號(hào)直接和正三角波比較，得到結(jié)果再取反；GS2調(diào)制信號(hào)減去Xd后和負(fù)三角波比較；GS4調(diào)制信號(hào)直接和負(fù)三角波比較，得到結(jié)果再取反。
上述討論說明可以通過簡(jiǎn)單的三角波比較控制三電平逆變器，加入適當(dāng)?shù)钠每梢越鉀Q窄脈沖問題，加入合適的補(bǔ)償可以解決死區(qū)對(duì)輸出影響，本方法簡(jiǎn)單實(shí)用。
下面是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例①控制方案的FPGA實(shí)現(xiàn)本控制方案在中點(diǎn)箝位三電平逆變器中應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。采用美國(guó)TI公司的TMS320C32作為系統(tǒng)的主控制核心，采用Xilinx公司的xc2s200系列FPGA產(chǎn)生PWM控制信號(hào)控制主電路IGCT。
如圖7三角波幅值為1，周期為Ts，則Xd＝2td/Ts。對(duì)于同一載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)變化Xd，對(duì)應(yīng)的觸發(fā)沿將提前或滯后td。
結(jié)合前面給出的三電平PWM控制方案和死區(qū)補(bǔ)償原理得消除死區(qū)影響方法i＞0時(shí)每相四個(gè)功率管控制信號(hào)(調(diào)制信號(hào)大于載波信號(hào)產(chǎn)生導(dǎo)通信號(hào))GS1調(diào)制信號(hào)直接和正三角波比較；GS3調(diào)制信號(hào)加上Xd后和正三角波比較，得到結(jié)果再取反；GS2調(diào)制信號(hào)直接和負(fù)三角波比較；GS4調(diào)制信號(hào)加上Xd后和負(fù)三角波比較，得到結(jié)果再取反；i＜0時(shí)每相四個(gè)功率管控制信號(hào)GS1調(diào)制信號(hào)減去Xd后和正三角波比較；GS3調(diào)制信號(hào)直接和正三角波比較，得到結(jié)果再取反；GS2調(diào)制信號(hào)減去Xd后和負(fù)三角波比較；GS4調(diào)制信號(hào)直接和負(fù)三角波比較，得到結(jié)果再取反。
與單片機(jī)和DSP順序執(zhí)行程序不同，F(xiàn)PGA類似于模擬電路，輸入變換后，輸出幾乎立即響應(yīng)。并且，F(xiàn)PGA編程靈活(可使用Verilog、VHDL、或是原理圖輸入等編程方式)，并且內(nèi)部有豐富的計(jì)數(shù)器資源。
按前面總結(jié)控制規(guī)律，在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)刻，根據(jù)本相電流方向，確定該相四個(gè)開關(guān)器件的死區(qū)補(bǔ)償量。在FPGA內(nèi)部，三角波通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，SAW-P為先遞減再遞增計(jì)數(shù)器，SAW-N為先遞增再遞減計(jì)算器，控制信號(hào)和補(bǔ)償量都為數(shù)字量，當(dāng)補(bǔ)償后的控制信號(hào)大于計(jì)數(shù)器中值，產(chǎn)生導(dǎo)通信號(hào)。為了避免當(dāng)Vc微大于0時(shí)補(bǔ)償后變成負(fù)、微小于0時(shí)補(bǔ)償后變成正，判斷Vc正負(fù)，為正時(shí)只對(duì)S1、S3補(bǔ)償，負(fù)時(shí)只對(duì)S2、S4補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)原理示于圖8。
②實(shí)驗(yàn)結(jié)果按前述控制原理研制一套帶死區(qū)補(bǔ)償?shù)娜嗳娖侥孀兛刂葡到y(tǒng)。xc2s200芯片，外接時(shí)鐘40MHz?？刂浦芷?開關(guān)周期)1ms，采用Verilog編程實(shí)現(xiàn)。如圖9.a不帶死區(qū)補(bǔ)償系統(tǒng)輸出線電壓，圖9.b為帶補(bǔ)償系統(tǒng)輸出線電壓(濾波后)，輸出頻率為30Hz，帶補(bǔ)償系統(tǒng)輸出明顯優(yōu)于不帶補(bǔ)償系統(tǒng)未補(bǔ)償時(shí)，除開關(guān)頻率產(chǎn)生的諧波外還有其它諧波，補(bǔ)償后只剩開關(guān)頻率產(chǎn)生的諧波。
權(quán)利要求
1.一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)，含有中點(diǎn)箝位三電平電壓源逆變器(NPC)，其特征在于它還含有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送的控制電壓指令后產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)，其特征在于三電平電壓源逆變器(NPC)為集成門極換相晶閘管(IGCT)串聯(lián)運(yùn)行式三電平電壓源逆變電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于事務(wù)處理和一些保護(hù)工作；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)用于產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)，直流偏置和死區(qū)補(bǔ)償都在FPGA中實(shí)現(xiàn)。
4.一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送用于控制三電平逆變器的三相參考電壓的空間電壓矢量幅值m和幅角θ；(2)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送的空間電壓矢量幅值m和幅角θ，產(chǎn)生三相電壓調(diào)制信號(hào)Vca、Vcb、Vcc，Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)；(3)再分別和正三角波、負(fù)三角波比較產(chǎn)生控制脈沖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于事務(wù)處理和一些保護(hù)工作；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)用于產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)，直流偏置和死區(qū)補(bǔ)償都在FPGA中實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于所述的直流偏置技術(shù)是，當(dāng)m小于0.2時(shí)，即Vca、Vcb、Vcc同時(shí)加0.5，下一個(gè)控制周期都減0.5，再下一控制周期都加0.5，如此循環(huán)，能解決m小時(shí)的窄脈沖問題。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于所述的死區(qū)補(bǔ)償是先根據(jù)各相相電流方向，確定將要輸出控制信號(hào)的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償量，疊加到所述的三相電壓調(diào)制信號(hào)Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)中即可以補(bǔ)償死區(qū)影響；A、B、C三相控制方法相同，分別根據(jù)各相相電流及死區(qū)狀態(tài)確定補(bǔ)償量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于利用FPGA并行處理能力，并且能夠處理數(shù)字量，三角波通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，正三角波為先遞減再遞增計(jì)數(shù)器，負(fù)三角波為先遞增再遞減計(jì)數(shù)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三電平逆變器的控制系統(tǒng)，它含有三電平電壓源逆變器(NPC)，其特征在于它還含有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)；其中，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送的控制電壓指令后產(chǎn)生三電平電壓源逆變器(NPC)的控制信號(hào)；本發(fā)明同時(shí)公開了一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于包括以下步驟(1)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)發(fā)送用于控制三電平逆變器的三相參考電壓的空間電壓矢量幅值m和幅角θ；(2)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)接收DSP發(fā)送的空間電壓矢量幅值m和幅角θ，產(chǎn)生信號(hào)Vca、Vcb、Vcc，Vca＝m＊cosθ、Vcb＝m＊cos(θ－120°)、Vcc＝m＊cos(θ+120°)，再經(jīng)過直流偏置和死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)處理后產(chǎn)生三相電壓調(diào)制信號(hào)Vca
文檔編號(hào)H02M7/48GK1829061SQ200510033388
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2005年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月1日
發(fā)明者嚴(yán)長(zhǎng)輝, 魏學(xué)森, 金曙光 申請(qǐng)人:廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰?