[發明專利]一種基于FPGA的輕型直流輸電多電平逆變SPWM控制系統

無效

• 申請號: 201310184732.6
• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103457500A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 李孟秋;潘小清;黃慶;高劍;谷濤
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387
• 代理公司: 湖南省國防科技工業局專利中心 43102
• 代理人: 李傳中

技術領域

本發明涉及電力電子與電氣傳動技術領域，尤其涉及一種基于FPGA的輕型直流輸電多電平逆變SPWM控制系統。

背景技術

隨著經濟的高速發展，煤和石油等傳統能源的日益減少及其對環境的污染，如何解決經濟增長、環境污染和能源緊缺三者之間的關系顯得尤為重要。輕型直流輸電（VHDC?Light）技術是20世紀90年代開始由ABB公司提出的一種新型直流輸電技術，其核心是采用IGBT組成的電壓源換流器（VSC）進行換流。這種換流器具有功能強、體積小，結構簡單等特點，故稱之為輕型直流輸電。與傳統直流輸電相比，輕型直流輸電能滿足分散的、小型的、遠距離的新能源的傳輸要求，換流站的控制更加靈活。

傳統的兩電平逆變器的主要缺點是電平數太少，諧波較大，需要增加濾波器，增加了成本。多電平換流器的優點有：①增加了功率器件的個數，適用于大功率場合。②隨著電平數的增加，輸出的波形更接近于正弦波而且諧波含量也減小了。③由于采用級聯型的拓撲結構和SPWM控制方法使得單個開關元件承受的電壓應力減小了。④采用SPWM方法控制可以獨立調節有功和無功功率，實現四象限運行。

目前，國內外對多電平逆變做了許多的研究，主要是對以下幾個方面進行改進：①建立多種新型的拓撲結構，采用容量高、功率大和易于控制的全控器件。對于多電平逆變的拓撲結構主要有級聯型H橋，中點箝位二極管及飛跨電容等。同時也提出了一些新的復合型拓撲結構，如將級聯型和二極管箝位型結合形成新的逆變電路。②針對不同的拓撲電路采用不同的控制方法。如階梯波脈寬調制技術、多載波垂直分布SPWM技術、載波相移SPWM技術、空間矢量SVPWM技術等。其中應用較多的主要是SPWM和SVPWM控制方法。③數字化芯片如FPGA,DSP，ARM等的應用增加了控制系統的靈活性和多樣性。④新的功率器件的開發和使用。新的功率器件如IGBT不僅能夠滿足大功率場合的應用，而且具有輸入阻抗高，熱穩定性好，速度快等優點。隨著硬件和軟件上的改進，多電平逆變技術在各個領域中已經取得了更好的應用。

發明內容

針對現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種利用FPGA多個I/O口的優勢，采用SPWM控制算法實現九電平逆變，可以通過較低開關頻率獲得較高等效開關頻率的SPWM波輸出，輸出了電平數更多，諧波含量更低的逆變波形。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方法是：一種基于FPGA的三相九電平逆變控制系統，其特征在于：所述控制系統硬件采用級聯型H橋九電平拓撲結構，軟件上設計了一種基于FPGA的載波層疊SPWM控制系統，該系統包括正弦發生器模塊，三角波發生器模塊，多路波形比較模塊，死區補償模塊和各種通信邏輯模塊。

進一步的，所述級聯型H橋拓撲結構需要48個IGBT器件，即需要48路SPWM波對開關管進行控制，利用FPGA豐富的I/O管腳資源能夠輕松滿足多路SPWM波的輸出；同時利用FPGA?的多管腳和多觸發器，能與單片機或者DSP連接，有利于系統的擴展，減輕多路SPWM波生成中的芯片的運算量，支持多種生成方式。?

進一步的，三相需要三路正弦信號，相位相差120°；正弦信號的產生通過查表法來實現，將一個周期內的單位正弦信號平均分成256份存放在FPGA的ROM中，地址為8位；通過采樣可以得到相近的正弦信號，正弦信號的幅值可以通過乘法器來調節；調制波的表達式為：?U=m·sin(ωt)，其中m為調制波的幅值，三角波FPGA的由計數器產生，根據載波比和幅值調制度來確定計數范圍。

進一步的，所述控制系統采用載波層疊的調制方法，逆變器輸出m電平則每相需要三角載波數是m-1個；要求m-1個載波的幅值和頻率相同，在空間上垂直分布；每個H橋單元對應需要2個三角波載波，則單相需要8個三角載波，三相則總共需要24路三角載波；單相的三角載波由FPGA內8個計數器采用延時幅值變化的方法產生，每個三角波由于空間位置不同，所以計數的初始值不同，但是計數器的模相同，每個時鐘計數器加1，達到最高值后計數器遞減。

進一步的，所述比較模塊，在同一時鐘下對正弦波和三角波進行幅值比較，當正弦波幅值大于三角波幅值的時候輸出高電平，當正弦波幅值小于三角波幅值的時候輸出低電平。