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(shù)的發(fā)展，高壓大容量電力電子變換技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，有進(jìn)一步延伸為我國新的生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)的趨勢，其發(fā)展前景與計(jì)算機(jī)信息產(chǎn)業(yè)等行業(yè)并駕齊驅(qū)” 。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(huì)帶來開關(guān)器件的均壓、均流等一系列問題。20世紀(jì)80年代以來，多電平變換器拓?fù)涞奶岢?，無疑是一種解決這些問題的好方法。它是一種通過改進(jìn)變換器本身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)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(shí)，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?fù)錇槔?，分析其控制策略，并采?ldquo;DSP+FPGA”結(jié)合來實(shí)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?fù)淙鐖D1所示。S1和S3，S2和S4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全互補(bǔ)。因此，每一相有3種輸出開關(guān)狀態(tài)，假設(shè)輸出的三個(gè)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(fù)電平。

SVPWM以其輸出電壓利用率高 ，中點(diǎn)電壓平衡易于控制等優(yōu)勢，目前得到了廣泛應(yīng)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(guān)狀態(tài)，有效開關(guān)狀態(tài)有19種，即19種電壓矢量。本研究算法的本質(zhì)是把給定參考矢量由三維參考系轉(zhuǎn)換成(g，h)參考系 ：

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

由于在(g，h)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)都采用截尾法處理，所有開關(guān)狀態(tài)矢量只有整數(shù)坐標(biāo)。所有開關(guān)矢量都用整數(shù)坐標(biāo)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(gè)基本矢量坐標(biāo)：

這些矢量的坐標(biāo)組合成參考矢量坐標(biāo)的整數(shù)值。矢量下標(biāo)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(gè)基本矢量。第3個(gè)矢量由下面計(jì)算公式的正負(fù)號(hào)決定：

最后一步是把求得的(g，h)兩維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成開關(guān)狀態(tài)的三維坐標(biāo)：

像(1，0)這種小矢量坐標(biāo)，可以轉(zhuǎn)換成2種開關(guān)狀態(tài)(1，0，0)和(2，1，1)，這個(gè)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(gè)電容的電壓值和負(fù)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(shí)現(xiàn)多電平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一種方案，可以快速方便地實(shí)現(xiàn)PWM 的輸出，而且采用邏輯運(yùn)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(hào)后，把它們從靜止的三相坐標(biāo)(abc)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)三相坐標(biāo)(dqo)，并與給定參考值比較以得到差值。這個(gè)差值信號(hào)在PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)中補(bǔ)償后，由補(bǔ)償后的三相坐標(biāo)(dqo)轉(zhuǎn)換成參考三相坐標(biāo)(abc)，并合成參考矢量。再由空間矢量調(diào)制方法計(jì)算得到合成參考矢量的開關(guān)狀態(tài)，并計(jì)算得到相應(yīng)的矢量占空比，接著求出每個(gè)矢量的時(shí)間間隔，最后把相應(yīng)的合成參考矢量的基本矢量和時(shí)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(tái)上都可以通過簡單的編程快速實(shí)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(shí)現(xiàn)、工作頻率高、程序運(yùn)行時(shí)問短、占用資源少等。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本研究在三電平變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，裝置的并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示，分別為并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)波形的THD較小，極大地改善了電網(wǎng)質(zhì)量。同時(shí)采用“DSP+FPGA”結(jié)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(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的控制。在本研究三電平逆變器實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，本研究通過Matlab軟件仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來驗(yàn)證該控制策略的可行性以及準(zhǔn)確性。驅(qū)動(dòng)信號(hào)和線電壓波形的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 圖7所示。

通過對(duì)上述圖6、圖7中所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和線電壓波形的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較后，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和軟件仿真是一致的，同時(shí)驗(yàn)證了該控制方法的正確性。圖6中，波形采樣點(diǎn)是n，b兩相的驅(qū)動(dòng)波形。圖7中，波形中采樣點(diǎn)分別是濾波前的線電壓波形和濾波后的線電壓波形。

4 結(jié)束語

本研究所實(shí)現(xiàn)的是DSP和FPGA的三電平變換器并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所采用的空間矢量控制方法簡單易行，不但相應(yīng)地最大化利用了軟件資源，而且控制方法快速可靠。研究結(jié)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(shí)現(xiàn)更多功能。