[發明專利]基于DSP/FPGA協同控制的級聯型多電平電力電子變壓器

在審

• 申請號: 201510277531.X
• 申請日: 2015-05-27
• 公開（公告）號: CN104852601A
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發明（設計）人: 盧子廣;李捷;楊達亮;李卓;田向渝;趙剛
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: H02M5/458
• 分類號: H02M5/458;H02M7/797;H02J3/18;H02J3/01
• 代理公司: 廣西南寧公平專利事務所有限責任公司 45104
• 代理人: 翁建華

技術領域

本發明屬于電力電子變壓器技術領域，具體涉及基于DSP/FPGA協同控制的級聯型多電平電力電子變壓器。

背景技術

電力電子變壓器(PET)又稱為固態變壓器(SST)，或智能通用變壓器(IUT)，是一種把電壓變換、頻率變換、動態無功補償、電能質量控制和不間斷電源等功能集于一身的智能配電設備。隨著電力電子技術的發展，電力電子變壓器的研究也從低壓小功率向高壓大功率發展，然而高壓功率器件的工藝技術已成為制約電力電子變壓器向高壓大功率發展的主要因素之一，如高壓硅功率器件的電壓等級一般低于6.5kV，面對10kV以上的配電網顯然是不能適用的。因此，只能通過改變電力電子變壓器的拓撲結構來提高它的電壓等級。

改變拓撲結構可以通過多電平變流器技術和模塊化串并聯技術來實現。多電平變流器主要有二極管鉗位型、飛跨電容型和級聯型，前二者都能在不提高開關頻率的條件下大大減小輸出諧波，但都存在電容電壓不平衡的問題；而級聯型多電平變流器無需鉗位二極管和鉗位電容，對于相同電平數的電路，所需器件最少，便于封裝，易于模塊化，也不存在電容電壓不平衡問題。

此外，適當的PWM控制方法可以保證系統高性能和高效率地運行。目前的控制方法主要有：空間矢量PWM方法，消諧波PWM方法，開關頻率優化PWM方法，載波帶頻率變換的PWM方法，混合載波PWM方法，相移載波PWM方法和載波交疊PWM方法等。使用載波相移技術能夠對多電平變流器的各個開關管進行控制，對控制器輸出的PWM波數目有了更高的要求，尤其是對于電力電子變壓器中存在級聯H橋整流器、調制解調H橋和三相逆變器時，控制器所能提供的PWM波數目已不能滿足。

載波相移技術適合對級聯型變流器進行控制，但是該技術對實際控制器實現有較高要求，首先是對控制器PWM端口數目要求能夠滿足對眾多級聯模塊內開關器件的需求。而目前常見的DSP芯片只提供6～18路PWM波形產生器。如TMS320F2812芯片只能提供16路PWM脈沖信號。對于單相變流器，最多能夠為九電平變流器提供PWM脈沖。對于三相變流器，最多能夠為三電平變流器提供脈沖。而所述電力電子變壓器中存在級聯H橋整流器、調制解調H橋和三相逆變器。所需PWM脈沖信號數目遠遠大于單個DSP所能提供的PWM脈沖信號數目。另外，對于所述電力電子變壓器，其控制系統包括前級控制系統、中間級控制系統和后級控制系統。若使用單個DSP控制器，各個控制系統的控制算法會對DSP的運算資源和時序產生競爭和耦合，導致算法效率降低。而若使用多個DSP控制器，則各控制器之間的時序同步難以實現。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種基于DSP/FPGA協同控制的級聯型多電平電力電子變壓器，通過FPGA芯片擴展多路PWM波發生器，實現硬件電路集成化；適用于高壓大功率場合；實現在不提高開關頻率的條件下大大減小輸出諧波，降低損耗，解決均壓問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

基于DSP/FPGA協同控制的級聯型多電平電力電子變壓器，包括前級整流級電路、中間隔離級電路、后級逆變級電路和協同控制模塊；

工頻交流電通過前級整流級電路整流成為第一直流電輸入到中間隔離級電路；中間隔離級電路先將第一直流電調制為高頻方波交流電，再將高頻方波交流電通過高頻變壓器進行電壓等級變換和隔離處理，然后再解調為第二直流電輸出到后級逆變級電路；后級逆變級電路將第二直流電進行逆變輸出所需交流電；

協同控制模塊包括DSP模塊和FPGA模塊；

DSP模塊用于根據給定直流側電壓值，通過計算處理輸出PWM波占空比數據給FPGA模塊，FPGA模塊采用載波相移技術得到第一PWM波控制前級整流級電路進行整流；FPGA模塊還用于產生第二PWM波分別控制中間隔離級電路進行調制和解調；DSP模塊產生第三PWM波控制后級逆變級電路進行逆變處理。

所述前級整流級電路由多個H橋變流器級聯組成；H橋變流器的個數由輸入的電網電壓和組成級聯型H橋變流器的IPM模塊的耐壓水平決定。

所述前級整流級電路的前級控制系統包括DSP模塊的外環直流電壓PI控制器、內環交流電流PI控制器和電網電壓定向鎖相環；

外環直流電壓PI控制器用于根據給定直流側電壓值，分別控制多個H橋變流器直流側電壓穩定；

內環交流電流環PI控制器用于根據外環直流電壓PI控制器輸出的電流參考值計算處理，輸出PWM波占空比數據到FPGA模塊，FPGA模塊經過比較調制處理分別輸出控制各級H橋變流器的多個第一PWM波；