CN113098026A - 一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发生器，涉及电能质量控制领域。本发明为了解决现有十五电平逆变器电路结构复杂，使用开关管数量多的问题。本发明A相电路的第一桥臂包括依次连接的第一开关管组件、第二开关管组件和双向开关组件，第二桥臂包括依次连接的第二开关管、第四开关管和第七开关管，第三桥臂包括依次连接的第八开关管和第十开关管，第四桥臂包括依次连接的第九开关管和第十一开关管。本发明减少了开关管和电容的数量，降低了系统成本和体积。

Description

一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发生器

技术领域

本发明涉及电能质量控制领域，特别是涉及一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发 生器。

背景技术

大功率电子设备的广泛应用势必会产生大量的无功和谐波，为了改善电网的供电质量， 需要利用无功补偿装置提供这部分无功和谐波。无功补偿装置的核心是由功率开管器件构成 的电力电子变换器，由于功率器件IGBT的功率、耐压和频率受限，常规两电平变换器很难 应用在高压、大功率场合，而多电平功率拓扑，装置输出电压波形好、谐波成分小、易于拓 展等优点，因此多电平拓扑结构正在被逐渐广泛应用在高压、大功率电力电子装置中。但是， 随着变换器电平数的继续增多，传统多电平结构都将面临着元件数量增加、结构愈发复杂的 问题，由此带来的便是成本剧增、系统可靠性降低，因此对于多电平变换器结构的研究还有 着很大的发展空间。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发生器，具 有开关器件少、开关损耗低、电压应力小、电磁干扰低、系统容量大等优点，可以有效降低 系统的体积和成本，并且输出电压波形正弦度好，因此输出电压的谐波含量少。

一种十五电平逆变器，包括电路结构相同的A相电路、B相电路和C相电路，所述A相电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂包括依次连接的第一开关管组件、第二开关管组件和双向开关组件，第二桥臂包括依次连接的第二开关管、第四开关管和第七开关管，第三桥臂包括依次连接的第八开关管和第十开关管，第四桥臂包括依次连接 的第九开关管和第十一开关管，第二开关管两端并接在第一开关管组件两端，第四开关管两 端并接在第三开关管组件两端，第七开关管并接在双向开关组件两端。

进一步的，所述第一开关管组件包括依次连接的第一电容和第一开关管。

进一步的，所述第二开关管组件包括依次连接的第二电容和第三开关管。

进一步的，所述双向开关组件包括依次连接的第三电容、第五开关管和第六开关管，所 述第五开关管的集电极连接第六开关管的集电极。

进一步的，所述十五电平分别为：±7V_dc、±6V_dc、±5V_dc、±4V_dc、±3V_dc、±2V_dc、±V_dc、 0。

进一步的，当输出电平为7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关组件、第八 开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管、第八开关管和第十 一开关管导通；

当输出电平为5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管、第八开关管和第十 一开关管导通；

当输出电平为4V_dc时，双向开关组件、第二开关管、第四开关管、第八开关管和第十一 开关管导通；

当输出电平为3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管、第八开关管和第十 一开关管导通；

当输出电平为2V_dc时，第二开关组件、第二开关管、第七开关管、第八开关管和第十一 开关管导通；

当输出电平为V_dc时，第一开关组件、第四开关管、第七开关管、第八开关管和第十一开 关管导通；

当输出电平为0时，第二开关管、第四开关管、第七开关管、第八开关管和第十一开关 管导通；

当输出电平为-V_dc时，第一开关组件、第四开关管、第七开关管、第十开关管和第九开关 管导通；

当输出电平为-2V_dc时，第二开关组件、第二开关管、第七开关管、第十开关管和第九开 关管导通；

当输出电平为-3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管、第十开关管和第九 开关管导通；

当输出电平为-4V_dc时，双向开关组件、第二开关管、第四开关管、第十开关管和第九开 关管导通；

当输出电平为-5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管、第十开关管和第九 开关管导通；

当输出电平为-6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管、第十开关管和第九 开关管导通；

当输出电平为-7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关管组件、第十开关管和 第九开关管导通。

本发明提供了一种十五电平静止无功发生器，包括检测单元、控制单元、驱动单元和功 率单元，所述功率单元包括本发明所述的十五电平逆变器。

如上所述，本发明提供的一种十五电平逆变器及十五电平静止无功发生器，具有如下效 果：

1、本发明可持续高效地对电网进行无功补偿，优化电网的电能质量和有功损耗，使系统 运行更加经济稳定，提高系统运行的稳定性，与传统的两电平无功补偿装置相比，本发明提 出的逆变器拓扑结构可以输出十五个电平，输出电平数较多，则输出电压等级数较多，电压 变化率较小，输出电压更接近正弦，因此输出电压的谐波含量较少，对外围电路的干扰较少 即电磁干扰较低，与两电平相比本发明中开关管承受的电压较低，所以电压应力较小，可选 用较低耐压的开关管，降低了系统的成本。

2、本发明提出的新型十五电平的拓扑三相完全是相同的结构并采用星型连接，可通过控 制开关管的导通、关断使逆变器输出电压为十五电平，与传统的中点箝位型拓扑和级联H桥 拓扑比较，本发明提出的新型十五电平的拓扑没有过多的二极管和电容，避免了因二极管数 量过多而导致系统很难控制，尤其在电网和负载不平衡时系统稳定性会受到影响以及二极管 的电流反向恢复问题，除此之外，过多的电容给系统控制也带来一定难度，且电容体积大会 使系统整体体积变大，增加系统了成本。本发明提供的拓扑在开关管数量和电容数量上具有 较大的优势，大大减少了开关管和电容数量，降低了系统成本和体积。

附图说明

图1为本发明具体实施例的一种新型十五电平静止无功发生器整体原理框图；

图2为一种新型十五电平逆变器的主电路原理图以及现有常规的十五电平逆变器的电路拓扑 原理图；

图3为本发明具体实施例的十五电平逆变器A相电路输出各电平时的导通状态图；

图4为本发明具体实施例的检测无功谐波电流的控制框图；

图5为本发明具体实施例的dq轴等效控制框图；

图6为本发明具体实施例的前馈解耦双闭环的控制框图；

图7为本发明具体实施例的电容电压整体控制策略框图；

图8为本发明具体实施例的电容电压独立控制策略框图；

图9为本发明具体实施例的静止无功发生器系统的整体控制框图；

图10为本发明具体实施例的换流器输出相电压十五电平波形图；

图11为本发明具体实施例的直流侧电容电压波形图；

图12为本发明具体实施例的A相电网电流补偿前后波形图；

图13为本发明具体实施例的±15V电源电路图；

图14为本发明具体实施例的5V电源电路图；

图15为本发明具体实施例的FPGA供电电路图；

图16为本发明具体实施例的DSP供电电路图；

图17为本发明具体实施例的电网电流采样电路图；

图18为本发明具体实施例的换流器输出电流采样电路；

图19为本发明具体实施例的电网电压采样电路；

图20为本发明具体实施例的直流电容电压采样电路；

图21为本发明具体实施例的2SD315AI的驱动电路；

图22为本发明具体实施例的主程序流程图；

图23为本发明具体实施例的A/D中断流程图；

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征 可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图 示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实 际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复 杂。

如图2所示，在一具体实施例中，一种十五电平逆变器，包括电路结构相同的A相电路、 B相电路和C相电路，并且A相电路、B相电路和C相电路采用星形连接结构，三相电路分别通过电感接入电网中，所述A相电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂包括依次连接的第一开关管组件、第二开关管组件和双向开关组件，如图所示，第一开关管组件包括依次连接的第一电容C₁和第一开关管S₁，所述第二开关管组件包括依次连接 的第二电容C₂和第三开关管S₃，所述双向开关组件包括依次连接的第三电容C₃、第五开关 管S₅和第六开关管S₆，第一电容C1的负极连接第一开关管S₁的发射极，第一开关管S₁的集电极连接第二电容C₂的正极，第二电容C₂的负极连接第三开关管S₃的发射极，第三开关管S₃的集电极连接第三电容C₃的正极，第三电容C₃的负极连接第五开关管S₅的发射极，第五开关管S₅的集电极连接第六开关管S₆的集电极；第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容 C₃均为直流电容，并且第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃的电压值分别为Vdc、2Vdc、 4Vdc。

第二桥臂包括依次连接的第二开关管S₂、第四开关管S₄和第七开关管S₇，所述第二开关 管S₂的集电极连接第一电容C₁的正极，第二开关管S₂的发射极连接第一开关管S₁与第二电 容C₂之间，第四开关管S₄的集电极连接第二开关管S₂的发射极，第四开关管S₄的发射极连 接第三开关管S₃与第三电容C₃之间，第七开关管S₇的集电极连接第四开关管S₄的发射极， 第七开关管S₇的发射极连接第六开关管S₆的发射极；

第三桥臂包括依次连接的第八开关管S₈和第十开关管S₁₀，所述第八开关管S₈的集电极 连接第二开关管S₂的集电极，第八开关管S₈的发射极连接第十开关管S₁₀的集电极，第十开 关管S₁₀的发射极连接第七开关管S₇的发射极；

第四桥臂包括依次连接的第九开关管S₉和第十一开关管S₁₁，所述第九开关管S₉的集电 极连接第八开关管S₈的集电极，第九开关管S₉的发射极连接第十一开关管S₁₁的集电极，第 十一开关管S₁₁的发射极连接第七开关管S₇的发射极，所述第八开关管S₈、第九开关管S₉、 第十开关管S₁₀和第十一开关管S₁₁组成桥式模块，第八开关管S₈与第十开关管S₁₀的驱动互 补，第九开关管S₉与第十一开关管S₁₁的驱动互补，第八开关管S₈与第十一开关管S₁₁驱动 相同，第九开关管S₉与第十开关管S₁₀的驱动相同，降低了控制难度。第一开关管S₁、第三开关管开关S₃和双向开关的导通、关断可以控制电容C₁、C₂、C₃串联关系，若第一开关管 S₁、第三开关管S₃和双向开关均导通则三个电容首尾相连，可输出最大电压等级±7V_dc，若开关S₁关断开关S₃与双向开关导通，电容C₂、C₃首尾相连，可输出±6V_dc。三个电容之间不同 的组合可以组成不同的电压等级(±7V_dc、±6V_dc、±5V_dc、±4V_dc、±3V_dc、±2V_dc、±V_dc)

所述十五电平分别为：±7V_dc、±6V_dc、±5V_dc、±4V_dc、±3V_dc、±2V_dc、±V_dc、0。

在一具体实施例中，当输出电平为7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关组 件、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管S₂、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管S₄、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为4V_dc时，双向开关组件、第二开关管S₂、第四开关管S₄、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为2V_dc时，第二开关组件、第二开关管S₂、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为V_dc时，第一开关组件、第四开关管S₄、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为0时，第二开关管S₂、第四开关管S₄、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第 十一开关管S₁₁导通；

当输出电平为-V_dc时，第一开关组件、第四开关管S₄、第七开关管S₇、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-2V_dc时，第二开关组件、第二开关管S₂、第七开关管S₇、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管S₇、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-4V_dc时，双向开关组件、第二开关管S₂、第四开关管S₄、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管S₄、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管S₂、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通；

当输出电平为-7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关管组件、第十开关管S₁₀和第九开关管S₉导通。

输出具体电平时的开关导通情况如图3所示，具体开关状态如表1所示。

表1新型十五电平的无功补偿装置的开关状态

如图3所示，a图为输出7Vdc电平的导通路径图，a1图为ia>0时导通路径图，a2图为ia<0时导通路径图，b图为输出6Vdc电平的导通路径图，b1图为ia>0时导通路径图，b2图 为ia<0时导通路径图，c图为输出5Vdc电平的导通路径图，c1图为ia>0时导通路径图，c2 图为ia<0时导通路径图，d图为输出4Vdc电平的导通路径图，d1图为ia>0时导通路径图， d2图为ia<0时导通路径图，e图为输出3Vdc电平的导通路径图，e1图为ia>0时导通路径图， e2图为ia<0时导通路径图，f图为输出2Vdc电平的导通路径图，f1图为ia>0时导通路径图， f2图为ia<0时导通路径图，g图为输出Vdc电平的导通路径图，g1图为ia>0时导通路径图， g2图为ia<0时导通路径图，h图为输出0电平的导通路径图，h1图为ia>0时导通路径图， h2图为ia<0时导通路径图，i图为输出Vdc电平的导通路径图，i1图为ia>0时导通路径图， i2图为ia<0时导通路径图，j图为输出2Vdc电平的导通路径图，j1图为ia>0时导通路径图， j2图为ia<0时导通路径图，k图为输出3Vdc电平的导通路径图，k1图为ia>0时导通路径图， k2图为ia<0时导通路径图，l图为输出4Vdc电平的导通路径图，l1图为ia>0时导通路径图， l2图为ia<0时导通路径图，m图为输出5Vdc电平的导通路径图额，m1图为ia>0时导通路 径图，m2图为ia<0时导通路径图，n图为输出6Vdc电平的导通路径图，n1图为ia>0时导 通路径图，n2图为ia<0时导通路径图，o图为输出7Vdc电平的导通路径图，o1图为ia>0时 导通路径图，o2图为ia<0时导通路径图。

表2不同拓扑结构元件对比表：

图2a为本发明的十五电平逆变器拓扑电路原理图，图2b为中点箝位十五电平拓扑，图 2c为级联H桥十五电平拓扑电路原理图，如图2以及表2可见，本申请的十五电平拓扑电路 每相由11个开关管和3个电容构成，相对于传统的二极管箝位型、飞跨电容型、级联H桥 型拓扑在开关管数量和体积上具有明显优势，装置的输出电压更接近正弦，因此输出电压的 谐波含量较少，并且具有开关损耗小、电磁干扰低、系统容量大等优点。

本发明提供了一种十五电平静止无功发生器，包括检测单元、控制单元、驱动单元和功 率单元，如图1所示，所述功率单元包括本发明所述的十五电平逆变器，检测单元包括电网 电压电流检测电路、直流母线电容检测电路和负载侧电流检测电路，检测单元输入端分别连 接功率单元、三相电网和三相负载，检测单元的输出端连接控制单元，进行数据的处理，控 制单元连接驱动单元进行信号放大，驱动单元与功率单元连接，控制功率开关管的导通关断， 功率单元连入主电路，进行无功谐波补偿。

具体补偿方法包括如下步骤：

1)通过瞬时无功理论ip-iq电流检测法得到三相基波电流。首先对负载电流进行有功无 功电流的分解，并将有功电流部分经滑动均值滤器波获得基波有功电流，与负载电流做差得 到三相无功谐波电流，并作为三相指令电流；

在无功补偿领域中，电流的精准跟踪和无功谐波电流的提取是关键性技术，检测出来的 无功准确性、动态跟随系统能力，决定了无功补偿效果的好坏。本发明采用基于瞬时无功功 率理论的ip-iq电流检测法，对负载电流进行精准检测，提取其中的基波分量进而获得无功谐 波电流作为指令电流，这种方法准确性和抗干扰性较高。

负载电流进行Clark-Park变换，得到瞬时有功和无功电流表达式：

由于

根据u合成矢量的分量与u的关系，得：

式中：

电流检测法的本质就是把采集到的信息进行有功电流和无功谐波电流分解，首先三相负 载电流经Clark-park变换，由于瞬时电流中不仅含有直流部分还含有交流部分，可用滑动均 值滤波器滤除i_p中的交流成分，得到电流中的直流量，做差值获得其中的谐波含量i_d-x，那么 (i_q+i_d-x)即可作为无功谐波电流的给定，实现动态精准的检测目的。由公式可得提取无功谐波 电流的控制框图4。

2)在电流跟踪部分采用的是前馈解耦双闭环控制策略，实现电流的动态精准跟踪；

进一步地，该装置前馈解耦双闭环控制策略整个控制的流程：将直流电压与给定电压作 差进行PI调节输出的量作为有功电流的跟踪量，有功电流的跟踪量与变换器输出的有功电流 作差，经PI调节，得到中间变量，同理，无功电流经解耦后得到中间变量，进而实现电压电 流双闭环控制。静止无功发生器系统中控制器分直流电压外环、有功电流内环和无功电流内 环三部分组成，电压外环是为了稳定直流侧电容电压，有功给定就是将直流侧电容电压与给 定的电容电压比较经PI调节获得，无功谐波电流的给定是通过检测负载电流中的无功谐波成 分获得，PI调节能补偿有功电流和无功电流分别与给定电流之间的差值，实现无静差跟踪， 通过前馈解耦后获得电压信号vcd、vcq，进行Park逆变换、Clark逆变换得到三相调制波， 再根据调制策略得到驱动信号PWM，达到控制换流器输出电压的目的，从而间接的实现补偿 电流的控制，最终实现动态无功补偿。

(3)前馈解耦的双闭环控制

本发明引入前馈解耦的双闭环控制，若想控制补偿电流的幅值和相角可以通过调节换流 器输出电压的幅值和相角来实现，但由于它的调节范围比较小，即使很小的调节也会导致系 统出现大动作，可控性较低。由公式

δ＝tg^-1(v_cd/v_cq)可以看出，将dq坐 标系下的电压分量v_cd和v_cq作为控制量，可以改变静止无功发生器吸收和发出的无功功率， 实现无功补偿目的。换流器输出电压v_cd和v_cq的表达式为。

由上式可知，系统存在耦合关系，i_d和i_q通过电感耦合在一起，输出电压的变化会影响 i_d和i_q电流变化，使得系统电流内环控制变得复杂，易受干扰影响，并且电感会阻碍电流的 变化，影响系统的响应速度。因此前馈解耦方式进行优化，可以实现独立控制，以便得到更 好的控制效果。

引入两个中间变量λ₁和λ₂，令

可以得到：

综合式(4)(5)可等效为以下控制图，如图5所示。

整个控制的流程：将直流电压与给定参考电压进行PI调节输出的量作为有功电流的跟踪 量，与变换器输出的有功电流作差，经PI调节，得到中间变量λ₁，同理，无功电流经解耦后 得到变量λ₂，进而实现电压电流双闭环控制。

如图6所示为基于前馈解耦的系统双闭环控制框图，静止无功发生器系统中控制器分直 流电压外环、有功电流内环和无功电流内环三部分组成，电压外环是为了稳定直流侧电容电 压，有功给定通过将直流侧电容电压与给定的电容电压比较经PI调节获得，无功谐波电流的 给定是通过检测负载电流中的无功谐波成分获得，PI调节能补偿有功电流和无功电流分别与 给定电流之间的差值，实现无静差跟踪，通过前馈解耦后获得电压信号v_cd、v_cq，进行Park 逆变换、Clark逆变换得到三相调制波。

3)对每相上的3个直流电容的电压进行二级控制，首先整体电容电压与给定电容电压比 较经PI调节叠加到有功电流的调制波上，然后二级均压是在载波层叠部分根据电流方向和充 放电状态，对调制波进行微调修正生成最终的调制波；本发明引入一级稳压控制策略为整体 电压控制，即首先对每相的直流电容电压之和进行控制，使其稳定在给定值。具体的方法为 将十五电平变换器拓扑的9个直流电容电压求和后除以3，得到每相3个直流侧电容电压的 给定值分别为U_ref，将求和后的平均值与给定值之和作差，并将结果送入PI控制器，从而得 到调节有功电流的指令信号。在进行i_p-i_q电流检测的同时调节有功电流，使变换器的交流侧 与直流侧进行能量交换，从而实现静止无功发生器的整体电压控制。如图7所示为电容电压 整体控制策略框图

本发明引入的二级稳压控制策略为每相电容电压分别控制。根据变换器输出电平状态和 输出电流方向判断电容的充电与放电状态，然后将每个电容的给定值与实际电压进行作差比 较，这里以A相的电容C₁为例，经过PI控制器后将结果与变换器输出电流i的符号判断函 数相乘，从而得到相应电平对应调制波的偏差信号，如图8所示。将偏差叠加在相应电平的 调制波上，使调制波的幅值增大或降低，从而使产生相应电平的时间延长或缩短，进而使电 容C₁的充电或放电时间延长或缩短。

4)调制波经过载波层叠调制技术，得到带死区的PWM信号。

载波层叠调制方式具有普遍适用性，均压调节后的三相调制波通过载波层叠获得电平以 此获得对应功率开关管的驱动信号，达到控制换流器输出电压的目的，从而间接的实现补偿 电流的控制，最终实现动态无功补偿。如图9所示为静止无功发生器系统的整体控制框图。

本发明新型十五电平的无功补偿装置的完成包括系统整体仿真分析、硬件电路设计和软 件设计。在硬件电路的设计之前，首先通过MATLAB/Simulink系统仿真软件对系统进行仿真， 得到相应结果。图10为换流器输出相电压十五电平波形图，图11所示为各个电容电压波形 图，图12为A相电网电流补偿前后波形图，图12a为补偿前波形，图12b为补偿后波形。

硬件部分主要包括主功率电路、核心控制单元、信号检测电路、控制器供电电路、保护 电路、驱动电路等。信号检测电路负责对电网电压电流、电容电压、和换流器输出电流进行 采样滤波加偏置，之后输入采用DSP+FPGA的双控芯片的核心控制单元，DSP芯片选用TI 公司的TMS320F28335，FPGA芯片选用ALTERA公司的EP4CE15E22C8N，结合了DSP算 法处理能力强和FPGA芯片I/O口配置灵活、时序处理能力强等优点。DSP芯片中控制采样 板采集的信号进行处理，主要包括电网电压锁相、无功谐波的给定电流的计算、过压过流故 障的判断并做出相应的处理、整体均压控制以及将生成的调制信号通过XINTF并行通信传递 给同板的FPGA芯片，FPGA经调制波和载波比较生成带死区的PWM，将PWM经过驱动电 路放大后驱动IGBT工作。

如图13、14、15、16为供电电路。控制器需要24V、5V、±15V、3.3V、1.9V等多种电源，用24V开关电源作为输入，LM2576-ADJ开关型电源芯片生成5V、+15V电源，DSP专 用的供电芯片TI公司的TPS767D301集成电源芯片，一路为固定输出3.3V，一路可以通过电 阻调整电压的输出，调整范围为1.5V～5.5V，本电路采用了1.9V，FPGA所需的2.5V和3.3V 电源通过AMS1117-2.5、AMS1117-3.3生成。为了使供电更加稳定，电路中加入磁珠，滤除 电源线上的高频干扰和静电脉冲，并采用大小电容进行滤波处理。

如图17所示为电网电流采样电路。电流经过互感器变为毫安级别，经过比例电路放大同 时对相位进行补偿，加上偏置电压后进行滤波，输入DSP中。

如图18所示为换流器输出电流采样电路。装置输出电流检测采用电流霍尔，电流霍尔输 出电流经过采样电阻转换为电压信号，再加入偏置电压并滤波后输入到控制器中。

如图19所示为电网电压采样电路，通过两个100K电阻和1：1电压互感器，再通过比例电路转换为小电压信号，增加偏置电压后经滤波电路滤波后，输入到控制芯片DSP中。

如图20所示为直流母线电压采样电路，母线电压通过差分放大电路，将电压缩小到3V 以内，再通过电压跟随器的隔离输入DSP中。

如图21所示为驱动电路。本实施例的驱动电路选用瑞士CONCEPT公司推出的型号为 2SD315AI的驱动模块，其具有直接模式和半桥模式两种工作方式，将驱动器的8脚MOD与VDD短接，工作于直接模式，此时通道A和B没有关系，两通道独立工作，并将RC1和RC2 与GND短接，此时状态输出SO1/SO2也是独立工作。将驱动器的8脚MOD与GND短接， 工作于半桥模式，两通道间产生一个死区时间，死区时间由引脚5和7间的RC网络调整， 此时INB接高电平使能，INA为两个信号的总输入端。

系统的主程序流程图如图22所示。本系统采用F28335进行控制，主程序主要完成系统 初始化以及故障检测等内容，中断程序包括AD采样，锁相环以及直流电压与补偿电流策略 的实现。在图22所示的系统的主程序流程图中，在系统在刚开始运行时候关闭一切中断中断 后进行系统的初始化，完成了程序中所用到的各个单元的初始设定。在初始化完成后开中断， 启动定时器，等待中断。

中断子程序的流程图如图23所示。AD中断用于完成谐波电流的采样、查询正弦表方式 的软件锁相环、坐标变换、数字滑动均值滤波计算、直流侧电压的控制以及电流跟踪控制算 法运算，发送数据给FPGA，在FPGA实现独特调制算法以后产生33路PWM波。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种十五电平逆变器，包括电路结构相同的A相电路、B相电路和C相电路，其特征在于，所述A相电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂包括依次连接的第一开关管组件、第二开关管组件和双向开关组件，第二桥臂包括依次连接的第二开关管、第四开关管和第七开关管，第三桥臂包括依次连接的第八开关管和第十开关管，第四桥臂包括依次连接的第九开关管和第十一开关管，第二开关管两端并接在第一开关管组件两端，第四开关管两端并接在第三开关管组件两端，第七开关管并接在双向开关组件两端。

2.根据权利要求1所述一种十五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管组件包括依次连接的第一电容和第一开关管。

3.根据权利要求1所述一种十五电平逆变器，其特征在于，所述第二开关管组件包括依次连接的第二电容和第三开关管。

4.根据权利要求1所述一种十五电平逆变器，其特征在于，所述双向开关组件包括依次连接的第三电容、第五开关管和第六开关管，所述第五开关管的集电极连接第六开关管的集电极。

5.根据权利要求1所述一种十五电平逆变器，其特征在于，所述十五电平分别为：±7V_dc、±6V_dc、±5V_dc、±4V_dc、±3V_dc、±2V_dc、±V_dc、0。

6.根据权利要求5所述一种十五电平逆变器，其特征在于，当输出电平为7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关组件、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为4V_dc时，双向开关组件、第二开关管、第四开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为2V_dc时，第二开关组件、第二开关管、第七开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为V_dc时，第一开关组件、第四开关管、第七开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为0时，第二开关管、第四开关管、第七开关管、第八开关管和第十一开关管导通；

当输出电平为-V_dc时，第一开关组件、第四开关管、第七开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-2V_dc时，第二开关组件、第二开关管、第七开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-3V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、第七开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-4V_dc时，双向开关组件、第二开关管、第四开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-5V_dc时，第一开关组件、双向开关组件、第四开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-6V_dc时，第二开关组件、双向开关组件、第二开关管、第十开关管和第九开关管导通；

当输出电平为-7V_dc时，第一开关组件、第二开关组件、双向开关管组件、第十开关管和第九开关管导通。

7.一种十五电平静止无功发生器，包括检测单元、控制单元、驱动单元和功率单元，其特征在于，所述功率单元包括权利要求1-6任一权利要求所述的十五电平逆变器。

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