CN105099221A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种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，在每个开关周期T_s开始时刻，开始对参考空间电压矢量采样逐个得到各单元对应参考空间电压矢量，然后利用共享计算资源分别用对参考空间电压矢量完成扇区判断并计算得到开关切换时间，最后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完成个单元对应PWM信号生成。该方法可用于实现单相级联三电平桥型变换器的调制，其技术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，动态、稳态性能良好。适用于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等领域。

Description

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

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：

在每个开关周期T_s开始时刻，对参考空间电压矢量采样得到单元1对应参考空间电压矢量然后以固定采样时间间隔T_c＝T_s/n对参考空间电压矢量采样得到后续单元2、……单元n对应参考空间电压矢量然后对单元1、单元2、……单元n对应参考空间电压矢量添加标志位m(m∈[1,n])并传输到共享计算资源完成相关计算；

所述多路信号选择方法为：

根据计算得到的开关切换时间对应标志位m(m∈[1,n])进行判断，对各单元对应开关切换时间进行准确判断并将串行开关切换时间转换为并行信号，分别用于根据PWM信号生成规则生成各单元所需的PWM驱动信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明为单相级联三电平桥型变换器提供了一种扩展性较强的调制方法。该方法通过将图1所示单相级联三电平桥型变换器等效为若干单相三电平变换器分别进行调制；通过按照特殊的规则对空间参考电压矢量进行采样，并且利用共享的计算资源完成相关计算。当单相级联三电平桥型变换器的单元数目发生改变时，只需要对矢量采样次数、开关周期T_s、采样间隔T_c进行调整即可，有效避免了调制系统的重复设计，具有较强的扩展性。

二、本发明为单相级联三电平桥型变换器提供了一种计算复杂度小、控制器资源消耗少的调制方法。该方法将单相级联三电平桥型变换器等效为若干单相三两电平变换器，从而将单相多电平SVPWM简化为单相三电平SVPWM，简化了算法复杂度、减少了控制器芯片资源消耗。

本发明的另一目的是提供一种实现以上单相级联三电平桥型变换器简化多电平SVPWM方法的调制软核。

本发明为实现其发明目的所采用的技术方案是：

一种实现如上所述方法的单相级联三电平桥型变换器的SVPWM调制软核，双端口RAM与浮点DSP、双端口RAM控制模块相连；双端口RAM控制模块与双端口RAM、矢量采样模块相连；矢量采样模块与双端口RAM控制模块、扇区判断模块相连；扇区判断模块与矢量采样模块、矢量时间计算模块相连；矢量时间计算模块与扇区判断模块、上桥臂开关时间计算模块相连；上桥臂开关时间计算模块与矢量时间计算模块、多路信号选择模块相连；多路信号选择模块与上桥臂开关时间计算模块、8路PWM信号生成模块相连。

本发明单相级联三电平桥型变换器SVPWM方法的调制软核使用硬件描述语言VerilogHDL进行开发，适用于FPGA、CPLD、ASIC，其功能模块包括双端口RAM、双端口RAM控制模块、矢量采样模块、扇区判断模块、矢量时间计算模块、上桥臂开关时间计算模块、多路信号选择模块、8路PWM信号生成模块，其结构特点是：双端口RAM与浮点DSP、双端口RAM控制模块相连；双端口RAM控制模块与双端口RAM、矢量采样模块相连；矢量采样模块与双端口RAM控制模块、扇区判断模块相连；扇区判断模块与矢量采样模块、矢量时间计算模块相连；矢量时间计算模块与扇区判断模块、上桥臂开关时间计算模块相连；上桥臂开关时间计算模块与矢量时间计算模块、多路信号选择模块相连；多路信号选择模块与上桥臂开关时间计算模块、8路PWM信号生成模块相连。

该软核的工作过程和原理是：由双端口RAM接收来自浮点DSP的参考空间电压矢量双端口RAM控制模块将双端口RAM中存储的参考空间电压矢量读出，矢量采样模块对参考空间电压矢量进行采样得到如图1所示单元1、单元2、……单元n对应参考空间电压矢量如图2所示，矢量时间计算模块根据扇区判断模块输出参考空间电压矢量所在扇区(Ⅰ～Ⅳ)确定参考空间电压矢量合成方案及求解基本空间电压矢量作用时间，上桥臂开关时间计算模块根据对应的参考空间电压矢量合成方案按照特定的作用序列进行分配并计算上桥臂开关切换时间，多路信号选择模块对各单元对应的上桥臂开关切换时间进行分流并输出到8路PWM信号生成模块产生各单元对应PWM信号。

可见，采用本发明所述方案及对应调制软核可以简单、可靠、稳定地完成单相级联三电平桥型变换器的空间矢量脉宽调制，并且能够有效避免调制系统的重复设计。

为了对算法及调制软核进行验证，以单相两单元与三单元级联三电平桥型变换器为例，下面结合附图和具体实施方式对该软核作进一步详细的说明。

下面结合附图和具体实施方式对该软核作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明适用的任意电平数单相级联三电平桥型变换器拓扑结构框图。

图2为适用于任意电平数单相级联三电平桥型变换器的简化SVPWM原理图。

图3为单相三电平SVPWM对应矢量合成原理图。

图4为适用于单相级联三电平桥型变换器的SVPWM调制软核功能模块。

图5a为单相两单元级联三电平桥型变换器各三电平桥单元输出电压u_AB1、u_AB2和变换器输出电压u_AB波形图。

图5b为单相两单元级联三电平桥型变换器输出电压u_AB与输出电流i_AB波形图。

图6a为单相三单元级联三电平桥型变换器各三电平桥单元输出电压u_AB1、u_AB2、u_AB3和变换器输出电压u_AB波形图。

图6b为单相三单元级联三电平桥型变换器输出电压u_AB与输出电流i_AB波形图。

图5、图6所示波形主要仿真参数如下：PWM信号开关频率f_s＝1000Hz；基波频率f₀＝50Hz；死区时间t_d＝4μs；直流侧支撑电容电压E＝100V；负载电阻R_L＝10Ω；负载电感L＝5mH。

具体实施方式

图1示出，本发明适用的任意电平数单相级联三电平桥型变换器拓扑结构，其拓扑结构为：该拓扑从上至下分为n个单元，每个三电平桥单元直流侧支撑电容电压为E，变换器输出电压u_AB为该相各个三电平桥单元输出电压之和。变换器输出电流i_AB以图1中箭头指向为正方向。变换器输出电压有(4n+1)种电平：-2nE、-(2n-1)E、……-2E、-E、0、E、2E、……(2n-1)E、2nE。同时，定义三电平桥单元上桥臂两个开关导通，下桥臂两个开关关断时，桥臂状态为1；三电平桥单元上桥臂两个开关关断，下桥臂两个开关导通时，桥臂状态为-1；三电平桥单元中间两个开关导通，其余开关关断，桥臂状态为0。因此，电压矢量空间存在基本空间电压矢量(-1,1)、(0,1)、(-1,0)、(0,0)、(1,1)、(-1,-1)、(1,0)、(0,-1)、(1,-1)。

图2示出，本发明所述单相级联三电平桥型变换器简化多电平SVPWM原理，其原理为：在每个开关周期T_s开始时刻，对参考空间电压矢量采样得到如图1所示单元1对应参考空间电压矢量然后以固定采样时间间隔T_c＝T_s/n对参考空间电压矢量采样得到后续单元2、……单元n对应参考空间电压矢量即如图2所示，然后根据单相三电平SVPWM，利用完成相关计算，从而实现单相多电平SVPWM。

图3示出，单相三电平SVPWM对应Ⅰ扇区参考空间电压矢量合成原理，该原理详细阐明了参考空间电压矢量位于Ⅰ扇区时，采用基本空间电压矢量(1,-1)和(1,0)、(0,-1)对参考空间电压矢量进行合成，并根据伏秒平衡原理建立方程组，对方程组求解可得基本空间电压矢量(1,-1)的作用时间 $T_a=\left(\right|U_{\mathrm{\α}\left(m\right)}^{\left(N\right)}|-E)T_s/E,$ 零矢量(1,0)、(0,-1)作用时间 $T_b=(2E-|U_{\mathrm{\α}\left(m\right)}^{\left(N\right)}\left|\right)T_s/E,$ 最后根据特定序列利用计算得到的矢量作用时间产生PWM信号。同时，针对单相三电平桥单元存在的中点电位不平衡问题，采用传统的中点电位平衡方法即可有效解决。

图4示出，单相级联三电平桥型变换器SVPWM调制软核功能模块，该软核主要包括双端口RAM、双端口RAM控制模块、矢量采样模块、扇区判断模块、矢量时间计算模块、上桥臂开关时间计算模块、多路信号选择模块、8路PWM信号生成模块，其结构特点是：双端口RAM与浮点DSP、双端口RAM控制模块相连；双端口RAM控制模块与双端口RAM、矢量采样模块相连；矢量采样模块与双端口RAM控制模块、扇区判断模块相连；扇区判断模块与矢量采样模块、矢量时间计算模块相连；矢量时间计算模块与扇区判断模块、上桥臂开关时间计算模块相连；上桥臂开关时间计算模块与矢量时间计算模块、多路信号选择模块相连；多路信号选择模块与上桥臂开关时间计算模块、8路PWM信号生成模块相连。

图5示出，单相两单元级联三电平桥型变换器在调制系数m_i＝0.84时的仿真结果。其中，图5(a)为单相两单元级联三电平桥型变换器各三电平桥单元输出电压u_AB1、u_AB2和变换器输出电压u_AB波形图，从图中可以看出，u_AB为9电平，幅值为400V，u_AB1、u_AB2为5电平，幅值为200V，且u_AB由u_AB1、u_AB2叠加而成。图5(b)为单相两单元级联三电平桥型变换器输出电压u_AB与输出电流i_AB波形，u_AB为9电平，幅值为400V，i_AB幅值为34A。

图6示出，单相三单元级联三电平桥型变换器在调制系数m_i＝0.84时的仿真结果。其中，图6(a)为单相三单元级联三电平桥型变换器各三电平桥单元输出电压u_AB1、u_AB2、u_AB3和变换器输出电压u_AB波形图，从图中可以看出，u_AB为13电平，幅值为600V，u_AB1、u_AB2为5电平，幅值为200V，且u_AB由u_AB1、u_AB2、u_AB3叠加而成。图6(b)为单相三单元级联三电平桥型变换器输出电压u_AB与输出电流i_AB波形，u_AB为13电平，幅值为600V，i_AB幅值为53A。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一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，最后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：

在每个开关周期T_s开始时刻，对参考空间电压矢量采样得到单元1对应参考空间电压矢量然后以固定采样时间间隔T_c＝T_s/n对参考空间电压矢量采样得到后续单元2、……单元n对应参考空间电压矢量然后对单元1、单元2、……单元n对应参考空间电压矢量添加标志位m(m∈[1,n])并传输到共享计算资源完成相关计算；

所述多路信号选择方法为：

根据计算得到的开关切换时间对应标志位m(m∈[1,n])进行判断，对各单元对应开关切换时间进行准确判断并将串行开关切换时间转换为并行信号，分别用于根据PWM信号生成规则生成各单元所需的PWM驱动信号。

2.一种实现权利要求1所述方法的单相级联三电平桥型变换器的空间矢量脉宽调制软核，其特征在于，双端口RAM与浮点DSP、双端口RAM控制模块相连；双端口RAM控制模块与双端口RAM、矢量采样模块相连；矢量采样模块与双端口RAM控制模块、扇区判断模块相连；扇区判断模块与矢量采样模块、矢量时间计算模块相连；矢量时间计算模块与扇区判断模块、上桥臂开关时间计算模块相连；上桥臂开关时间计算模块与矢量时间计算模块、多路信号选择模块相连；多路信号选择模块与上桥臂开关时间计算模块、8路PWM信号生成模块相连。