[发明专利]一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法

权利要求书

1.一种级联型多电平逆变器的控制系统，其特征在于，主要包括控制箱、触摸屏和外部I/O接口，所述控制箱由AVR系列单片机、Altera公司flex10K系列FPGA、美国德州仪器公司32位数字信号处理器的第六代TMS320系列的高性能芯片TMS320F28335主控制器和西门子S-300系列PLC组成；

所述DSP主控制器的用途为：完成多路空间矢量PWM脉冲的实时计算，将计算的数据按任务要求所允许的时间范围内传给逻辑器件FPGA；控制功率单元的工作，与单元控制板进行通信，控制功率开关管IGBT的通断，更为快速的实时传输功率单元的运行状态；获得逆变器各部分电压、电流数据和温度；通过西门子S-300系列PLC与触摸屏通信，并完成与外部I/O接口的联系；实现模拟量和开关量的输入、输出；

所述FPGA的用途为：在实时获取DSP传送过来的产生高、低电平脉冲时间后，实时发生30路PWM脉冲信号，控制箱中的光纤板将30路脉冲信号通过具有电气隔离功能的光纤传送给每个功率单元；功率单元内部的单元控制板采用AVR单片机来实现死区的设置和功率单元的保护。

2.一种级联型多电平逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量

设三相对称输出电压为三相开关函数为S_a，S_b，S_c，并且S_a,b,c＝{0,1,…,m-1}，m为多电平逆变器的电平数，三相输出电压分别表示为u_rA1＝S_aE，u_rB1＝S_bE，u_rC1＝S_cE,则每一相输出的电平序数表示为0，1，…,(m-1)；加入零序电压分量u_Z后，三相参考电压表示为则有Uref·=U·ref1+U·Z=m-12Mcosωt+uZ(t)+1Mcos(ωt-2π3)+uZ(t)+1Mcos(ωt+2π3)+uZ(t)+1,]]>式中M为调制度，u_Z(t)为零序分量；每相参考电压是从0到m-1之间的两个相邻整数之间，设第k个采样时刻，参考电压表示为u_rA＝m_a+u′_rA，其中m_a为参考电压的整数部分，且m_a∈{0,1,...,m-2}，u′_rA为参考电压经过分解后对应的两电平矢量；则三相参考电压可分解为基矢量和两电平矢量的矢量和，即

U·ref=U·rBase+U·′rU·rBase=[floor(urA),floor(urB),floor(urC)]TU·′r=(urA′,urB′,urC′)T---(1)]]>

式中floor()为向下取整函数，对应从坐标原点到参考矢量所在子六边形中心的矢量OC，对应参考矢量所在子六边形中心到参考矢量顶点的矢量CT，映射后对应的两电平矢量的值由下式得到

urA′=urA-floor(urA)urB′=urB-floor(urB)urC′=urC-floor(urC)---(2)]]>

B.映射到中心六边形的扇区

电压矢量通过映射看成一个两电平逆变器的参考电压，采用两电平空间矢量PWM控制方法合成；

将三相参考矢量的整数部分和两电平矢量分别进行Clark变换，表示为α-β坐标系中的空间矢量形式；参考电压基矢量为

U·rBase(αβ)=urBaseαurBaseβ=C3/2U·rBase]]>

参考电压两电平矢量为U·′r(αβ)=urα′urβ′=C3/2U·′r]]>

其中C_3/2变换矩阵为C3/2=1-1/2-1/203/2-3/2]]>

用表示α-β坐标系中的参考矢量，则满足

U·ref(αβ)=U·rBase(αβ)+U·′r(αβ)U·ref(αβ)Ts=U·1(αβ)t1+U·2(αβ)t2+U·3(αβ)t3---(3)]]>

两电平矢量位于以原点为中心的六边形中，将其看做两电平的参考矢量，采用两电平的SVPWM算法来确定扇区；为小六边形内两电平矢量对应的三个基本矢量，设为原点对应的零矢量，对应的开关状态为(000)，(111)；因此只需判断两电平参考矢量所在的扇区就得到合成两电平矢量的开关状态；根据u′_rα和u′_rβ的正负号，结合和|u′_rβ|之间的大小关系判断两电平矢量的扇区，当u′_rβ＞0时，若则两电平参考矢量落在第1扇区，若且u′_rα＞0，则落在第0扇区，且u′_rα≤0则落在第2扇区；当u′_rβ≤0时，若则落在第4扇区，若且u′_rα＞0则落在第5扇区，其余情况落在第3扇区；

C.两电平矢量的合成

判断出两电平矢量所在的扇区后，就确定合成两电平矢量的开关矢量，以图1为例，两电平矢量落在0扇区，所以由(000或111)、(100)和(110)合成，具体作用时间可由下式求出：t2=2Ts3[urα′sin(k+1)π3-urβ′cos(k+1)π3]t3=2Ts3(-urα′sinkπ3+urβ′coskπ3)t1=Ts-t2-t3---(4)]]>

式中T_s为采样周期；

D.多电平参考矢量的合成

为了达到多电平矢量合成多电平参考矢量的目的，根据映射过程将多电平矢量分解为基矢量和两电平矢量的和，反之采用逆映射的方法得到多电平矢量如下式

U·1(αβ)=U·rBase(αβ)+U·′1(αβ)U·2(αβ)=U·rBase(αβ)+U·′2(αβ)U·3(αβ)=U·rBase(αβ)+U·′3(αβ)---(5)]]>

其作用时间仍可用式(4)计算，这样通过映射与逆映射大大简化开关矢量的选择和作用时间的计算，并且算法的复杂度不会随电平数增加而增加，适合于任意n电平逆变器；

E.开关状态的选择

从开关频率和du/dt方面考虑，要求每个采样周期内每相桥臂开关动作不超过一次，并且某一瞬时只有一相动作；三相开关顺序是四段式原则；

设S₁，S₂，S₃，S₄为四组开关状态，S_i(S_ia,S_ib,S_ic)为第i组各相开关状态，各组开关状态的切换关系如下

S2(S2a,S2b,S2c)=(S1a+1,S1b,S1c)S3(S3a,S3b,S3c)=(S2a,S2b+1,S2c)S4(S4a,S4b,S4c)=(S3a,S3b,S3c+1)---(6)]]>

其中S₁，S₄为同一个矢量的冗余开关状态，如果定义参数ε为它们作用时间的比例系数(0＜ε＜1)，则S₁，S₂，S₃，S₄四组开关状态的作用时间，分别用(1-ε)t₁，t₂，t₃，εt₁表示；εt₁的值可由下式确定

ϵt1=13(urA′+urB′+urC′)Ts-13t2-23t3---(7)]]>

由以上分析可知，只要选定了S₁，其它的开关状态也随之确定；由式(1)中U·rBase=[floor(urA),floor(urB),floor(urC)]T]]>可知，S₁开关状态由下式得到S₁(S_1a,S_1b,S_1c)＝[floor(u_rA),floor(u_rB),floor(u_rC)]  (8)

假设得到的S₁为330，则S₂为330+100＝430，S₃为330+110＝440，S₄为330+111＝441，合成参考矢量OT的四个开关状态都确定下来。