[發明專利]適用于單相多電平鉗位型與級聯型變換器的簡化多電平空間矢量脈寬調制方法

有效

• 申請號: 201610034575.4
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105634314B
• 公開（公告）日: 2018-09-21
• 發明（設計）人: 熊成林;吳瑕杰;刁飛;馮曉云
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/487
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 張澎

本發明公開了一種適用于單相多電平鉗位型與級聯型變換器的簡化多電平空間矢量脈寬調制方法。該方法分別針對單相五電平和單相七電平空間矢量脈寬調制，將單相五電平電壓矢量空間等效為兩個單相三電平電壓矢量空間，將單相七電平電壓矢量空間等效為三個單相三電平電壓矢量空間，從而將單相五電平/七電平空間矢量脈寬調制相關計算簡化為單相三電平空間矢量脈寬調制相關計算。在每個開關周期T_s開始時刻，對參考空間電壓矢量進行扇區判斷，然后根據單相三電平空間矢量脈寬調制原理完成相關計算，并按照特定的矢量作用序列生成PWM信號，完成單相五電平/七電平空間矢量脈寬調制。

技術領域

本發明涉及高壓大功率調速系統、電氣化鐵路牽引供電系統、大功率靜止無功發生器的設計與制造領域。

背景技術

近年來，多電平變換器以其獨特的結構特點，在高壓大功率場合受到廣泛關注。目前常見的電壓型多電平變換器大致可分為鉗位型和單元級聯型兩大類。針對不同的應用領域，不同的變換器在各個工業應用領域中逐漸扮演越來越重要的角色，如高壓大功率調速系統、高壓直流輸電系統、電氣化鐵路牽引供電系統、大功率靜止無功發生器等領域。

脈沖調制技術作為直接影響多電平變換器輸出性能的關鍵技術之一，主要包括正弦脈寬調制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)、空間矢量脈寬調制(spacevector pulse width modulation，SVPWM)、最近電平控制(nearest level control，NLC)等。目前，載波移相正弦脈寬調制(carrier phase-shifted sinusoidal pulse widthmodulation，CPS-PWM)因其易于各功率單元能量均衡分布、諧波特性好、可擴展性強、資源占用少，在CHMC中得到了廣泛應用。相比SPWM，SVPWM具有易于數字化實現、電壓利用率高等優點，具備廣闊的應用前景，但作為傳統兩電平SVPWM在多電平變換器上的擴展應用，由于電壓空間矢量數量與輸出電平數之間滿足三次方關系且不具備CPS-PWM方法可擴展性強、資源占用少等優點，傳統的多電平SVPWM僅適合輸出電平數較低的場合，難以在級聯H橋型變換器上的到廣泛應用。

隨著現場可編程門陣列(FPGA)的不斷發展，其功能越來越強大，應用也越來越廣泛。在這樣的背景下，為了克服雙DSP結構存在的缺點，逐漸提出了一種基于DSP和FPGA的控制系統結構，此類結構由一片浮點運算DSP和一片FPGA組成，兩者之間通過雙口RAM進行數據交換，其特點在于利用FPGA完成PWM門控信號的產生，不僅利于向多電平拓撲發展，能夠產生更加精確的PWM門控信號，同時將AD等外部設備的控制放到FPGA中執行，進一步減輕了浮點DSP的工作任務。但該結構中浮點DSP仍需要完成空間矢量調制的相關計算工作。

隨著調制算法復雜度不斷加大，對其性能要求越來越高，利用專用的軟核完成SVPWM運算以及相關外部設備的控制，不僅兼具硬件電路速度快、可靠性高等優點，同時將核心控制器(浮點DSP)從繁重的重復性計算中解放出來，使其更好地運行核心控制程序。同時隨著電子設計自動化技術(EDA)的不斷發展，使得設計者能夠依托可編程邏輯器件(FPGA、CPLD)、專用芯片等載體，在EDA軟件平臺上利用硬件描述語言完成硬件電路的設計，極大地提高了電路設計的效率和可移植性，在硬件電路規模不斷加大的同時，使得產品的小型化逐步成為一種發展趨勢。

發明內容

本發明的目的是針對單相五電平與七電平的鉗位型與級聯型變換器提供一種簡化單相SVPWM方法，在具備傳統單相多電平SVPWM方法易于數字化實現等優點的前提下，用以降低傳統單相五電平/七電平SVPWM方法調制計算復雜度、減少調制系統芯片資源占用量。該方法適用于單相五電平與七電平的鉗位型與級聯型變換器，具有良好的調制性能和良好的動靜態性能，且具有計算復雜度低、易于數字化實現、芯片資源占用低等優點。

本發明為實現其發明目的，所采用的技術方案是：