CN103986356B - 一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法，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。本发明采用基于映射原理的SVPWM调制算法对五级十一电平逆变器进行调制，控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量也比较低，可应用于高压大功率交流电动机的变频调速领域，在水厂、电厂中的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机、轨道交通的电力机车牵引系统中能节省电能，降低污染，具有很好的经济效益。

Description

一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法。

背景技术

变频调速技术经过半个多世纪的发展、丰富和完善，随着现代电力电子技术的不断革新和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速技术以其完美实现电机运行，矢量控制等优良性能，已逐步成为现今传动系统调速的主流产品。

作为以高压大功率变换为研究对象的多电平变换技术已经成为电力电子学科一个崭新的研究方向。多电平变换技术是一种新型变换器,只改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出，不需要升压、降压变压器和均压电路。输出的波形具有更好的谐波频谱特性，每个开关器件所承受的电压应力也较小，因此，当需要高压大功率变换时多电平变换技术就是一种具有代表性的技术，是较为理想的研究方案。

近几年研发的一种电路拓扑结构——功率单元级联型多电平逆变器广泛应用于电机的变频调速中，它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。由于采用模块化设计，各个功率单元相互级联，在变频器的直流环节采用了电容元件，无需输出变压器及任何形式的滤波器便可直接驱动交流电动机，这是它的显著优点，具有广阔的发展空间。

但是变频器存在一个不容忽视的缺陷——输出侧和输入侧电压或电流含有大量的谐波干扰，这使得电压、电流波形发生畸变，这些谐波会对电网和电机造成不良影响，必须采取抑制谐波的措施。这一系列措施中，脉宽调制(PWM)技术较为重要，而其中的正弦脉宽调制(SPWM)技术的调制效果良好，较为完善，一直沿用至今。

上一世纪八十年代中期，德国学者H.W.VanDerBroek首先提出另一种PWM技术即本发明所提到的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，它可以克服脉宽调制技术的缺点，表现在谐波抑制效果更好、转矩较为平稳，直流利用率更高且非常适合用计算机控制，因此很快得到推广应用，逐渐成为变频调速技术的另一个中流砥柱。

随着高压大功率变频调速技术中新型调制方法如雨后春笋般迅猛发展，高压变频器也将不断推陈出新，日趋完善，应用领域更为深入国民经济各行业产业。研制出节能、环保、高效的高压变频器，提高国内产品的性能，无论是在提高效率节能减排方面，还是缩小我国同发达国家在该领域的差距方面，都是时代赋予我们的一项长远追求，具有深远的意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种级联型多电平逆变器的控制方法，采用基于映射原理的SVPWM调制算法对五级十一电平逆变器进行调制，控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量也比较低，可应用于高压大功率交流电动机的变频调速领域，在水厂、电厂中的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机、轨道交通的电力机车牵引系统中能节省电能，降低污染，具有很好的经济效益。其技术方案如下：

一种级联型多电平逆变器的控制系统，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。

一种级联型多电平逆变器的控制方法，包括以下步骤：

(1)确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量；

(2)参考空间矢量映射到中心子六边形对应的扇区；

(3)利用两电平SVPWM调制方法确定合成参考矢量的开关矢量、开关矢量的作用顺序和作用时间；

(4)将得到的开关矢量、作用顺序和作用时间进行逆映射，得到多电平逆变器的开关矢量、作用顺序和作用时间。

具体为：

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 $\stackrel{\·}{U_{\mathrm{ref}}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}1}+{\stackrel{\·}{U}}_Z=\frac{m-1}{2}\left[\begin{array}{c}M\cos \mathrm{\ωt}+u_Z\left(t\right)+1\\ M\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+u_Z\left(t\right)+1\\ M\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+u_Z\left(t\right)+1\end{array}\right],$ 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

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}={[\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)]}^T\\ {{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r={(u_{\mathrm{rA}}^{\′},u_{\mathrm{rB}}^{\′},u_{\mathrm{rC}}^{\′})}^T\end{array}\right.---\left(1\right)$

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

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rA}}^{\′}=u_{\mathrm{rA}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right)\\ u_{\mathrm{rB}}^{\′}=u_{\mathrm{rB}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right)\\ u_{\mathrm{rC}}^{\′}=u_{\mathrm{rC}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

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

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rBase\α}}\\ u_{\mathrm{rBase\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}$

参考电压两电平矢量为 ${{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{r\left(\mathrm{\α\β}\right)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}^{\′}\\ u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\end{array}\right]=C_{3/2}{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r$

其中C_3/2变换矩阵为 $C_{3/2}=\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$

用表示α-β坐标系中的参考矢量，则满足

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{r\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}\left(\mathrm{\α\β}\right)}{T}_s={\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_1+{\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_2+{\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_3\end{array}\right.---\left(3\right)$

两电平矢量位于以原点为中心的六边形中，将其看作两电平的参考矢量，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： $\left\{\begin{array}{c}{t}_2=\frac{2T_s}{\sqrt{3}}[u_{\mathrm{r\α}}^{\′}\sin \frac{(k+1)\mathrm{\π}}{3}-u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\cos \frac{(k+1)\mathrm{\π}}{3}]\\ t_3=\frac{2T_s}{\sqrt{3}}(-u_{\mathrm{r\α}}^{\′}\sin \frac{\mathrm{k\π}}{3}+u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\cos \frac{\mathrm{k\π}}{3})\\ t_1=T_s-t_2-t_3\end{array}\right.---\left(4\right)$

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

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

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

$\left\{\begin{array}{c}{S}_2(S_{2a},S_{2b},S_{2c})=(S_{1a}+1,S_{1b},S_{1c})\\ S_3(S_{3a},S_{3b},S_{3c})=(S_{2a},S_{2b}+1,S_{2c})\\ S_4(S_{4a},S_{4b},S_{4c})=(S_{3a},S_{3b},S_{3c}+1)\end{array}\right.---\left(6\right)$

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

${\mathrm{\ϵt}}_1=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{rA}}^{\′}+u_{\mathrm{rB}}^{\′}+u_{\mathrm{rC}}^{\′})T_s-\frac{1}{3}{t}_2-\frac{2}{3}{t}_3---\left(7\right)$

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 ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}={[\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)]}^T$ 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。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)采用5级11电平逆变器，使逆变器输出波形更接近正弦波，大大减少了谐波含量。

(2)在拓扑结构方面，本项目采用每相5个功率单元级联的结构，克服了二极管箝位型和飞跨电容型存在电容电压均压的问题。

(3)在控制算法方面，采用基于映射原理的SVPWM算法,计算量小，不需要坐标变换与查表，实现简便，而且谐波含量低，适用于任意电平的逆变器。

附图说明

图1是映射与逆映射示意图；

图2是两电平矢量示意图；

图3是采样周期内四段式开关顺序；

图4是本发明级联型多电平逆变器的控制系统的结构示意图；

图5是本发明级联型多电平逆变器的控制方法流程示意图；

图6是本发明级联型多电平逆变器的内部结构示意图；

图7是本发明级联型多电平逆变器的主控制器DSP主程序流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种级联型多电平逆变器的控制方法，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，三相输出电压可以分别表示为u_rA1＝S_aE，u_rB1＝S_bE，u_rC1＝S_cE,则每一相输出的电平序数可以表示为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 $\stackrel{\·}{U_{\mathrm{ref}}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}1}+{\stackrel{\·}{U}}_Z=\frac{m-1}{2}\left[\begin{array}{c}M\cos \mathrm{\ωt}+u_Z\left(t\right)+1\\ M\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+u_Z\left(t\right)+1\\ M\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+u_Z\left(t\right)+1\end{array}\right],$ 式中M为调制度，u_Z(t)为零序分量。每相参考电压可以是从0到m-1之间的两个相邻整数之间，设第k个采样时刻，参考电压可以表示为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

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}={[\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)]}^T\\ {{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r={(u_{\mathrm{rA}}^{\′},u_{\mathrm{rB}}^{\′},u_{\mathrm{rC}}^{\′})}^T\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中floor()为向下取整函数，对应图1中的矢量OC，对应图1中的矢量CT，映射后对应的两电平矢量的值可以由下式得到

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rA}}^{\′}=u_{\mathrm{rA}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right)\\ u_{\mathrm{rB}}^{\′}=u_{\mathrm{rB}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right)\\ u_{\mathrm{rC}}^{\′}=u_{\mathrm{rC}}-\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

B.映射到中心六边形的扇区

电压矢量通过映射可以看成一个两电平逆变器的参考电压，可以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

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rBase\α}}\\ u_{\mathrm{rBase\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}$

参考电压两电平矢量为 ${{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{r\left(\mathrm{\α\β}\right)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{r\α}}^{\′}\\ u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\end{array}\right]=C_{3/2}{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r$

其中C_3/2变换矩阵为 $C_{3/2}=\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$

用表示α-β坐标系中的参考矢量，则满足

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{r\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ref}\left(\mathrm{\α\β}\right)}{T}_s={\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_1+{\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_2+{\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}{t}_3\end{array}\right.---\left(3\right)$

两电平矢量位于以原点为中心的六边形中，可以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。如图2所示。

图中为子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可以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|之间的大小关系可以判断两电平矢量的扇区，其判断条件与扇区对应关系见表1。

表1两电平矢量扇区判断条件

C.两电平矢量的合成

判断出两电平矢量所在的扇区后，就可以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： $\left\{\begin{array}{c}{t}_2=\frac{2T_s}{\sqrt{3}}[u_{\mathrm{r\α}}^{\′}\sin \frac{(k+1)\mathrm{\π}}{3}-u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\cos \frac{(k+1)\mathrm{\π}}{3}]\\ t_3=\frac{2T_s}{\sqrt{3}}(-u_{\mathrm{r\α}}^{\′}\sin \frac{\mathrm{k\π}}{3}+u_{\mathrm{r\β}}^{\′}\cos \frac{\mathrm{k\π}}{3})\\ t_1=T_s-t_2-t_3\end{array}\right.---\left(4\right)$ 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可以得到多电平矢量如下式

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{1\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{2\left(\mathrm{\α\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}\left(\mathrm{\α\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{3\left(\mathrm{\α\β}\right)}\end{array}\right.---\left(5\right)$

其作用时间仍可用式(4)计算，这样通过映射与逆映射可以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。三相开关顺序如图3所示，是四段式原则。

图3中的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

$\left\{\begin{array}{c}{S}_2(S_{2a},S_{2b},S_{2c})=(S_{1a}+1,S_{1b},S_{1c})\\ S_3(S_{3a},S_{3b},S_{3c})=(S_{2a},S_{2b}+1,S_{2c})\\ S_4(S_{4a},S_{4b},S_{4c})=(S_{3a},S_{3b},S_{3c}+1)\end{array}\right.---\left(6\right)$

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，可以分别用(1-ε)t₁，t₂，t₃，εt₁表示。εt₁的值可由下式确定

${\mathrm{\ϵt}}_1=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{rA}}^{\′}+u_{\mathrm{rB}}^{\′}+u_{\mathrm{rC}}^{\′})T_s-\frac{1}{3}{t}_2-\frac{2}{3}{t}_3---\left(7\right)$

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 ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{rBase}}={[\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rA}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rB}}\right),\mathrm{floor}\left(u_{\mathrm{rC}}\right)]}^T$ 可知，S₁开关状态可以由下式得到S₁(S_1a,S_1b,S_1c)＝[floor(u_rA),floor(u_rB),floor(u_rC)] (8)

如图1中所示，S₁为330，则S₂为330+100＝430，S₃为330+110＝440，S₄为330+111＝441，这样合成参考矢量OT的四个开关状态都确定下来了

级联型多电平逆变器的控制系统结构示意图如图4所示。控制箱由AVR系列单片机、Altera公司flex10K系列FPGA、美国德州仪器(TexasInstruments，TI)公司32位数字信号处理器(DigitalSignalProcessing，DSP)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构成。

DSP主控制器的主要功能是：

1.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；

2.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(150MIPS)实时传输功率单元的运行状态；获得逆变器各部分电压、电流数据和温度等；

3.与触摸屏通信，完成与外部I/O接口的联系、A/D转换速度更快，完美实现模拟量和开关量的输入、输出。

其中FPGA的主要功能：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。

图5中级联型多电平逆变器的控制方法流程可分为以下几步：

(1)系统初始化；

(2)确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量；

(3)参考空间矢量映射到中心子六边形对应的扇区；

(4)利用两电平SVPWM调制方法确定合成参考矢量的开关矢量、开关矢量的最优作用顺序和作用时间；

(5)将得到的开关矢量、作用顺序和作用时间进行逆映射，得到多电平逆变器的实际开关矢量、作用顺序和作用时间。

图6为级联型多电平逆变器的内部结构，从图中可以看出，逆变器主要由移相变压器、功率单元和控制器构成，此外，还有一些辅助设备，如电流、电压传感器测量输入输出的电流和电压以及用来发命令、显示逆变器运行状态的上位机。

级联型多电平逆变器高压输出的原理是通过每相多个H桥低压输出叠加来实现逆变器高压输出，每个H桥输入输出电压实际都为低压。逆变器输入为50Hz交流高压，而其多个H桥需要低压供电，所以需要通过移相变压器来降压输出多组三相低压给每个H桥供电，移相变压器绕组采用错开12°相位是为了减小每个H桥采用二极管不控整流时引起的逆变器输入端低次谐波电流。

逆变器的主要工作部分是功率单元，每个H桥输入为经过移相变压器降压后的三相低压输入，输出为单相逆变输出。对无回馈功能多电平逆变器，每个H桥三相输入经过二极管不控整流为直流，H桥直流电压通过功率器件(如IGBT)逆变后变成单相可调频低压输出。控制每个H桥中功率器件实现逆变的PWM信号通过可以实现高压隔离的光纤从逆变器的控制器输入。每相的多个H桥输出同频率的单相电压后叠加实现单相高压输出，三相高压输出驱动三相交流电动机实现调速。

控制器为级联型多电平逆变器的核心弱电控制部件，其通过DSP、FPGA、单片机、PLC等实现对逆变器各个部分的控制。具体有：实现逆变器各种调制算法的运算来产生不同的PWM信号，实现对H桥中各功率元器件的控制来完成逆变器不同的输出性能；实现逆变器各种保护功能；实现逆变器友好的人机界面，使工作人员可以实时知道逆变器运行的各种性能指标，可以通过上位机或各种控制按钮实现逆变器在各种设置参数下的运行、停止等。

如图7所示，H桥级联型多电平逆变器的主控制器DSP的主程序由3个部分组成：①系统初始化，开机前循环，与触摸屏，功率单元模块通信，检测逆变器启动前整个系统是否待机正常具备开机条件，若具备则输出开机就绪信号，等待触摸屏的开机指令。②如果收到开机指令则进入变频运行中断子程序，输出PWM脉冲波形，且在逆变器工作过程中随时检测其运行模式，可通过触摸屏实时设置逆变器的运行模式，期间与功率单元通信、ＡＤ采样、测频，同时进行过流、变压器、功率单元故障保护③当逆变器接收到停机指令或者遇到各种故障需要逆变器停机的情况时，则主程序进入停机循环，先使逆变器进行变频降压处理，降到指定频率(如3Hz)后再进行恒频降压处理，最后直到逆变器输出电压为零。

针对所提出的调制算法，在每相5个H桥级联型多电平逆变器上进行了实验。H桥中功率开关器件选用DYNEX公司的1700V/200A型IGBT，PWM脉冲驱动电路主要由concept公司2SD315A驱动模块构成。多电平逆变器控制系统主要由TI公司TMS320F28335和ALTERA公司FLEX10K系列FPGA-EPF10K20TC144-4组成，采样频率为1000Hz。所用高压异步电机参数为：额定功率：600KW，额定频率：50Hz，额定电压：6KV，接线方式：丫/Δ，额定电流：109A，额定转速：1485r/min。定子电阻R_s＝4.6Ω，转子电阻R_r＝4.8Ω，互感L_m＝0.49H，自感L_r＝0.54H，给定转子磁链为0.84Wb左右。

不同调制度下逆变器输出相电压和线电压的波形均为以690V为基础阶梯叠加的结果，调制度M＝0.31时逆变器输出的相电压为5阶梯波，其阶梯数偏低是由于调制度较低，参考电压矢量的幅值也偏低，向下取整后得到的开关状态数值较小，所以逆变器输出的电压阶梯数偏低，幅值较小。调制度M＝0.61时逆变器输出的相电压为9阶梯波，其阶梯数和幅值较升高，调制度M＝0.91时逆变器输出的相电压为11阶梯波，已经达到了5级级联逆变器输出波形阶数的理论值，调制度M＝0.95时逆变器输出的相电压阶梯数不变，但线电压阶梯数有所增加，达到21阶梯波，其总谐波畸变率(THD)仅为6.39％，更加接近正弦波。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一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式中M为调制度，u_Z(t)为零序电压分量；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

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{ref}={\stackrel{\·}{U}}_{rBase}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r\\ {\stackrel{\·}{U}}_{rBase}={\[floor\left(u_{rA}\right),floor\left(u_{rB}\right),floor\left(u_{rC}\right)\]}^T\\ {{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_r={(u_{rA}^{\′},u_{rB}^{\′},u_{rC}^{\′})}^T\end{array}\right.$

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

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rA}^{\′}=u_{rA}-floor\left(u_{rA}\right)\\ u_{rB}^{\′}=u_{rB}-floor\left(u_{rB}\right)\\ u_{rC}^{\′}=u_{rC}-floor\left(u_{rC}\right)\end{array}\right.$

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

${\stackrel{\·}{U}}_{rBase\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}=\left[\begin{array}{c}{u}_{rBase\mathrm{\α}}\\ u_{rBase\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}{\stackrel{\·}{U}}_{rBase}$

参考电压两电平矢量为

其中C_3/2变换矩阵为

用表示α-β坐标系中的参考矢量，则满足

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{ref\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{rBase\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{r\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{ref\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}{T}_s={\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}{t}_1+{\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}{t}_2+{\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}{t}_3\end{array}\right.$

两电平矢量位于以原点为中心的六边形中，将其作为两电平的参考矢量，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；判断两电平参考矢量所在的扇区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_r′_β|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，具体作用时间可由下式求出：式中T_s为采样周期；

D.多电平参考矢量的合成

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，采用逆映射的方法得到多电平矢量如下式

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{1\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{rBase\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{1\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{2\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{rBase\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{2\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{3\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}={\stackrel{\·}{U}}_{rBase\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}+{{\stackrel{\·}{U}}^{\′}}_{3\left(\mathrm{\α}\mathrm{\β}\right)}\end{array}\right.$

其作用时间依据步骤C的算式进行计算；

E.开关状态的选择

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

$\left\{\begin{array}{c}{S}_2(S_{2a},S_{2b},S_{2c})=(S_{1a}+1,S_{1b},S_{1c})\\ S_3(S_{3a},S_{3b},S_{3c})=(S_{2a},S_{2b}+1,S_{2c})\\ S_4(S_{4a},S_{4b},S_{4c})=(S_{3a},S_{3b},S_{3c}+1)\end{array}\right.$

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且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

${\mathrm{\ϵt}}_1=\frac{1}{3}(u_{rA}^{\′}+u_{rB}^{\′}+u_{rC}^{\′})T_s-\frac{1}{3}{t}_2-\frac{2}{3}{t}_3$

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)]；只要选定了S₁，其它的开关状态也随之确定。