[发明专利]任意电平数单相级联三电平桥型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法及其调制软核

说明书

技术领域

本发明涉及高压大功率调速系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无功发生器的设计与制造领域。

背景技术

近年来，多电平变换器以其独特的结构特点，在高压大功率场合受到广泛关注。目前常见的电压型多电平变换器大致可分为钳位型和单元级联型两大类。前者随着电平数的增加，所需开关器件的数量急剧增加且不利于模块化、集成化和扩展化，使其在实际应用中受到一定限制，而级联型多电平变换器以其模块化结构简单、扩展性强、控制难度小、谐波含量低等优点，在各个领域中得到广泛应用。其中，相比单相级联H桥型变换器，单相级联三电平桥型变换器输出电平数相同的情况下需要的模块数更少，开关管数目更少，有利于变换器的轻量化，提高变换器的工作稳定性，在各个工业应用领域中逐渐扮演越来越重要的角色，如高压大功率调速系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无功发生器等领域。

脉冲调制技术作为直接影响多电平变换器输出性能的关键技术之一，主要包括正弦脉宽调制(sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM)、空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，SVPWM)、最近电平控制(nearestlevelcontrol，NLC)等。目前，载波移相正弦脉宽调制(carrierphase-shiftedsinusoidalpulsewidthmodulation，CPS-PWM)因其易于各功率单元能量均衡分布、谐波特性好、可扩展性强、资源占用少，在CHMC中得到了广泛应用。相比SPWM，SVPWM具有易于数字化实现、电压利用率高等优点，具备广阔的应用前景，但作为传统两电平SVPWM在多电平变换器上的扩展应用，由于电压空间矢量数量与输出电平数之间满足三次方关系且不具备CPS-PWM方法可扩展性强、资源占用少等优点，传统的多电平SVPWM仅适合输出电平数较低的场合，难以在单相级联三电平桥型变换器上得到广泛应用。

随着现场可编程门阵列(FPGA)的不断发展，其功能越来越强大，应用也越来越广泛。在这样的背景下，为了克服双DSP结构存在的缺点，逐渐提出了一种基于DSP和FPGA的控制系统结构，如图2所示，此类结构由一片浮点运算DSP和一片FPGA组成，两者之间通过双口RAM进行数据交换，其特点在于利用FPGA完成PWM门控信号的产生，不仅利于向多电平拓扑发展，能够产生更加精确的PWM门控信号，同时将AD等外部设备的控制放到FPGA中执行，进一步减轻了浮点DSP的工作任务。但该结构中浮点DSP仍需要完成空间矢量调制的相关计算工作。

随着调制算法复杂度不断加大，对其性能要求越来越高，利用专用的软核完成SVPWM相关工作以及相关外部设备的控制，不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等优点，同时将核心控制器(浮点DSP)从繁重的重复性计算中解放出来，使其更好地运行核心控制程序。同时随着电子设计自动化技术(EDA)的不断发展，使得设计者能够依托可编程逻辑器件(FPGA、CPLD)、专用芯片等载体，在EDA软件平台上利用硬件描述语言完成硬件电路的设计，极大地提高了电路设计的效率和可移植性，在硬件电路规模不断加大的同时，使得产品的小型化逐步成为一种发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于任意电平数单相级联三电平桥型变换器的简化多电平SVPWM方法，在具备传统单相多电平SVPWM方法易于数字化实现的前提下，用以克服传统单相多电平SVPWM方法不易于个功率单元能量均衡分布、可扩展性不佳、调制计算复杂度较高、调制系统芯片资源占用较大等缺点。该方法适用于任意电平数单相级联三电平桥型变换器，具有良好的调制性能和良好的动静态性能，且易于各功率单元能量均衡分布、谐波特性好、可扩展性强、计算复杂度低、易于数字化实现。

本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是：

一种适用于任意电平数单相级联三电平桥型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法，单相级联三电平桥型变换器拓扑结构从上至下分为n个单元，即单元1、单元2、……单元n；在每个开关周期T_s开始时刻，按照矢量特定采样规则对参考空间电压矢量采样得到单元1、单元2、……单元n对应参考空间电压矢量然后利用共享计算资源分别将对应参考空间电压矢量完成扇区判断、矢量时间计算、开关切换时间计算，再通过多路信号选择对各单元对应开关切换时间进行分流并生成各单元对应PWM驱动信号，从而完成单相级联三电平桥型变换器的调制；

所述参考空间电压矢量采样规则为：