一种三电平逆变器的控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三电平逆变器的控制系统，它含有三电平电压源逆变器（ＮＰＣ），其特征在于它还含有：现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）、数字信号处理器（ＤＳＰ）；其中，现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）接收数字信号处理器（ＤＳＰ）发送的控制电压指令后产生三电平电压源逆变器（ＮＰＣ）的控制信号；本发明专利技术同时公开了一种三电平逆变器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：（１）数字信号处理器（ＤＳＰ）发送用于控制三电平逆变器的三相参考电压的空间电压矢量幅值ｍ和幅角θ；（２）现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）接收ＤＳＰ发送的空间电压矢量幅值ｍ和幅角θ，产生信号Ｖｃａ、Ｖｃｂ、Ｖｃｃ，Ｖｃａ＝ｍ＊ｃｏｓθ、Ｖｃｂ＝ｍ＊ｃｏｓ（θ－１２０°）、Ｖｃｃ＝ｍ＊ｃｏｓ（θ＋１２０°），再经过直流偏置和死区补偿技术处理后产生三相电压调制信号Ｖｃａ↑［＊＊］、Ｖｃｂ↑［＊＊］、Ｖｃｃ↑［＊＊］；（３）最后分别和正三角波、负三角波比较产生控制脉冲。本发明专利技术克服了现有空间矢量脉宽调制法（ＳＶＰＷＭ），特定谐波消除法（ＳＨＥ－ＰＷＭ）技术的不足，提供了一种快速性好、控制简单、实用的三电平逆变器的控制系统及方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三电平逆变器控制系统及方法，尤其涉及一种基于正弦波调制的、采用直流偏置技术和死区补偿技术的三电平逆变器控制系统及方法。属于大容量、中高压异步电动机变频调速装置领域。
技术介绍
三电平逆变器已在大功率变频调速、电力系统有源滤波及动态无功补偿等领域得到了广泛应用。随着高压IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门极换相晶闸管)、IEGT等器件的电压、电流等级的提高，该拓扑必将得到更广泛应用。中点箝位三电平变换是大功率、中压(1～6KV)领域中最常用的拓扑之一，既可构成PWM(多电平逆变器的脉宽调制控制方法，以下简称PWM)逆变器又可构成PWM整流器。三电平逆变器的拓扑结构有二极管箝位式，如图1，由于二极管的箝位，这种逆变器每个开关器件承受的最大电压为直流侧电压的1/2，从而实现了用中低压器件完成中高容量的变换。另外，由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，其谐波水平明显低于二电平逆变器，输出相同质量电流波形的时候，开关频率可以降低到两电平的1/4。然而由于这种拓扑结构使用了12个开关器件，其控制方法也随之复杂。三电平逆变器的控制方法主要有空间矢量控制SVPWM方法、特定消谐SHE-PWM方法、正弦波调制SPWM方法。三电平空间矢量控制SVPWM方法的优点主要是电压利用率高，对于二极管中点箝位的变换电路可以利用电压矢量(一般都是小矢量)来实现直流侧电容电压的平衡；其缺点是数字实现时计算量非常大。比如，桂红云、姚文熙、吕征宇所写的《DSP空间矢量控制三电平逆变器的研究》(《电力系统自动化》2004.vol.28 No.1162～65)，文章介绍了基于DSP(数字信号处理器)实现三电平逆变器空间矢量实现方法，为了减小输出电压谐波，在每个PWM控制周期内将给定电压用该矢量所在处的小三角形对应的三个电压矢量来合成，三电平逆变器共输出19空间电压矢量，有24个小扇区，因此控制复杂。特定消谐SHE-PWM方法，通过开关时刻的优化选择，可以在较低的开关频率下，产生最优的输出电压波形，从而减小了电流波纹和电动机的脉动转矩在输出同样质量波形的时候，它较其它的方法，开关次数最少，效率最高；但是这种方法的一个难点就是计算开关角的时候，要解超越方程，计算比较困难。比如，陈远华的《基于DSP实现的特定消谐PWM脉冲发生器》(《清华大学学报》2003.vol.43.No.3349～351)所介绍的特定消谐算法，提前算出各个频率对应的开关角度存入内存，实际运行中查表产生PWM控制信号。又比如，中山市明阳公司原三电平PWM控制系统采用特定谐波消除脉宽调制控制(简称消谐法)，它提前算出各个频率对应的开关时刻存在存储器中，系统运行时通过查表，产生控制信号，控制信号不能快速改变，所以系统的快速性不好，并且占用内存多。本专利技术为了克服以上的缺点，进行了有益的改进。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供了一种快速性好、控制简单、实用的三电平逆变器的控制系统及方法。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用下列技术方案一种三电平逆变器的控制系统，含有中点箝位三电平电压源逆变器(NPC)，它还含有现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)；其中，现场可编程门阵列(FPGA)接收数字信号处理器(DSP)发送的控制电压指令后产生三电平电压源逆变器(NPC)的控制信号；如上所述的一种三电平逆变器的控制系统，三电平电压源逆变器(NPC)为集成门极换相晶闸管(IGCT)串联运行式三电平电压源逆变电路；如上所述的一种三电平逆变器的控制方法，所述数字信号处理器(DSP)用于事务处理和一些保护工作；现场可编程门阵列(FPGA)用于产生三电平电压源逆变器(NPC)的控制信号，直流偏置和死区补偿都在FPGA中实现；一种三电平逆变器的控制方法，包括以下步骤数字信号处理器(DSP)发送用于控制三电平逆变器的三相参考电压的空间电压矢量幅值m和幅角θ；现场可编程门阵列(FPGA)接收数字信号处理器(DSP)发送的空间电压矢量幅值m和幅角θ，产生三相电压调制信号Vca、Vcb、Vcc，Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)；再分别和正三角波、负三角波比较产生控制脉冲；如上所述的一种三电平逆变器的控制方法，所述数字信号处理器(DSP)用于事务处理和一些保护工作；现场可编程门阵列(FPGA)用于产生三电平电压源逆变器(NPC)的控制信号，直流偏置和死区补偿都在FPGA中实现；如上所述的一种三电平逆变器的控制方法，所述的直流偏置技术是，当m小于0.2时，即Vca、Vcb、Vcc同时加0.5，下一个控制周期都减0.5，再下一控制周期都加0.5，如此循环，能解决m小时的窄脉冲问题；如上所述的一种三电平逆变器的控制方法，所述的死区补偿是先根据各相相电流方向，确定将要输出控制信号的补偿方式和补偿量，叠加到所述的三相电压调制信号Vca＝m*cosθ、Vcb＝m*cos(θ-120°)、Vcc＝m*cos(θ+120°)中即可以补偿死区影响；A、B、C三相控制方法相同，分别根据各相相电流及死区状态确定补偿量；如上所述的一种三电平逆变器的控制方法，利用FPGA并行处理能力，并且能够处理数字量，三角波通过内部计数器实现，正三角波为先递减再递增计数器，负三角波为先递增再递减计数器。本专利技术与现有技术相比具有如下的优点1、本专利技术的基于三角波比较PWM控制法可以满足三电平逆变器的要求，比常用的空间矢量法简单，实时性好；2、采用三次谐波偏置技术后，三相三电平逆变器的最大输出电压和空间电压矢量法一样，并且比空间矢量控制方法简单；3、采用±0.5交替直流偏置技术可以克服由最小导通时间限制带来的低输出电压控制困难；4、本控制方法有直流电源中点电位自平衡能力；5、死区补偿技术的应用使输出电压波形谐波大为减小。附图说明图1、三电平逆变器主电路图；图2.a、单相三电平逆变器主电路图；图2.b、单相三电平逆变器控制电路图；图2.c、单相三电平逆变器主电路的输出波形图；图3、Vca及其基波图；图4.a、加入+0.5直流偏置后的波形图；图4.b、加入-0.5直流偏置后的波形图；图5、状态D1对输出影响及补偿图；图6、状态D2对输出影响及补偿图；图7、死区对应的补偿量图；图8、FPGA实现方法图；图9.a、逆变输出线电压不带死区补偿逆变输出图；图9.b、逆变输出线电压带死区补偿逆变输出图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述(一)、概述三电平逆变器主电路示于图1。每相桥臂由4个开关器件及2个箝位二极管组成，输出有三种工作状态“+”—+Ed；“0”—0V；“-”—-Ed。由此，可定义一个三值的开关函数，如SA(1，0，-1)就表示A相交流侧电压的三个电压状态，每相情况都相同，由此推出三电平逆变器三相输出共33＝27个状态，按照电压空间矢量定义 式中SA、SB和SC为A、B、C三相输出状态开关函数，Sm＝1代表“+”态，0代表“0”态，-1代表“-”态。这27个状态共构成19个电压矢量，示于图2，其中“0”矢量含3种状态；构成内六边形的6个矢量，每矢量含2个状态；构成外六边形的12个矢量，每矢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平逆变器的控制系统，含有中点箝位三电平电压源逆变器（ＮＰＣ），其特征在于它还含有：现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）、数字信号处理器（ＤＳＰ）；其中，现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）接收数字信号处理器（ＤＳＰ）发送的控制电压指令后产生三电平电压源逆变器（ＮＰＣ）的控制信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严长辉，魏学森，金曙光，
申请(专利权)人：广东明阳龙源电力电子有限公司，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]