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(chǎn)力和經(jīng)濟增長點的趨勢，其發(fā)展前景與計算機信息產(chǎn)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(shù)的增加，使得輸出波形更接近調(diào)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(shù)坐標。所有開關矢量都用整數(shù)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(shù)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(diào)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(diào)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。
FPGA的功能如圖4所示。這些功能在FPGA硬件平臺上都可以通過簡單的編程快速實現(xiàn)。尤其是FPGA編程具有很多的優(yōu)勢：工作可靠、編程簡單、容易實現(xiàn)、工作頻率高、程序運行時問短、占用資源少等。
3 仿真和實驗驗證
本研究在三電平變換器實驗平臺上進行了并網(wǎng)實驗，裝置的并網(wǎng)實驗波形如圖5所示，分別為并網(wǎng)實驗的相電壓波形和相電流波形，電壓波形THD=2.449% ，電流波形THD=3.439% 。從圖5中可以看出，三電平實驗波形的THD較小，極大地改善了電網(wǎng)質量。同時采用“DSP+FPGA”結合的方法，提高了資源的利用率，可以節(jié)省更多的DSP資源來進行并網(wǎng)實驗的控制。在本研究三電平逆變器實驗系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)中DSP板采用Texas Instruments 320I F2407最小系統(tǒng)板，作為并網(wǎng)實驗的核心控制資源，F(xiàn)PGA板選用Xilinx Spartan 3E開發(fā)板做為輔助功能，以提高DSP的資源利用率。
同時，本研究通過Matlab軟件仿真和實驗結果對比來驗證該控制策略的可行性以及準確性。驅動信號和線電壓波形的仿真結果和實驗結果如圖6 圖7所示。
通過對上述圖6、圖7中所示的驅動信號和線電壓波形的仿真和實驗結果做比較后，得到的實驗結果和軟件仿真是一致的，同時驗證了該控制方法的正確性。圖6中，波形采樣點是n，b兩相的驅動波形。圖7中，波形中采樣點分別是濾波前的線電壓波形和濾波后的線電壓波形。
4 結束語
本研究所實現(xiàn)的是DSP和FPGA的三電平變換器并網(wǎng)實驗，實驗中所采用的空間矢量控制方法簡單易行，不但相應地最大化利用了軟件資源，而且控制方法快速可靠。研究結果表明，這種控制方法適合于任意電平的控制，可節(jié)省大量資源，并可以實現(xiàn)更多功能。
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