基于DSP和FPGA的三電平逆變器快速控制方法

目前，隨著電力電子技術的發展，高壓大容量電力電子變換技術應用越來越廣泛，有進一步延伸為我國新的生產力和經濟增長點的趨勢，其發展前景與計算機信息產業等行業并駕齊驅” 。為了滿足高壓大功率的要求，在變換器中常用的有器件串并聯，但器件的串并聯會帶來開關器件的均壓、均流等一系列問題。20世紀80年代以來，多電平變換器拓撲的提出，無疑是一種解決這些問題的好方法。它是一種通過改進變換器本身拓撲結構來實現高壓大功率輸出的新型變換器，它無需升降壓變換器和均壓電路;同時，由于輸出電壓電平數的增加，使得輸出波形更接近調制波，降低了輸出電壓的畸變，減少了輸出電壓諧波。

本研究以二極管箝位型三電平逆變器拓撲為例，分析其控制策略，并采用“DSP+FPGA”結合來實現三電平逆變器的快速控制。

1 SVPWM 控制策略

二極管箝位型三電平逆變器的主電路拓撲如圖1所示。S1和S3，S2和S4 的驅動信號完全互補。因此，每一相有3種輸出開關狀態，假設輸出的三個電平從高到低依次為“2”、“1”和0’，2’表示正電平，“1，’表示零電平，“0”表示負電平。

SVPWM以其輸出電壓利用率高 ，中點電壓平衡易于控制等優勢，目前得到了廣泛應用。由圖1可知，由于每相有3種輸出狀態，因此三相三電平逆變器有27種開關狀態，有效開關狀態有19種，即19種電壓矢量。本研究算法的本質是把給定參考矢量由三維參考系轉換成(g，h)參考系 ：

在轉換的(g，h)參考系中，三電平逆變器的開關狀態矢量如圖2所示。

由于在(g，h)坐標系中的坐標都采用截尾法處理，所有開關狀態矢量只有整數坐標。所有開關矢量都用整數坐標表示是非常有利的，因此，可以很容易求得最接近參考矢量的4個基本矢量坐標：

這些矢量的坐標組合成參考矢量坐標的整數值。矢量下標U代表其中的變量向上取整， 代表向下取整。

V ul 和V lu 始終是合成參考矢量的兩個基本矢量。第3個矢量由下面計算公式的正負號決定：

最后一步是把求得的(g，h)兩維坐標轉換成開關狀態的三維坐標：

像(1，0)這種小矢量坐標，可以轉換成2種開關狀態(1，0，0)和(2，1，1)，這個是小矢量的2種情況。可以通過輸入電容充放電平衡控制來選擇最合適的小矢量，它是由基于每個電容的電壓值和負載電流方向來決定的。

2 DSP和FPGA功能

本研究采用的“DSP+FPGA”是實現多電平實驗平臺的一種方案，可以快速方便地實現PWM 的輸出，而且采用邏輯運算更方便。

三電平逆變器的系統控制框圖如圖3所示。圖3中，DSP功能采樣電壓電流信號后，把它們從靜止的三相坐標(abc)轉換成旋轉三相坐標(dqo)，并與給定參考值比較以得到差值。這個差值信號在PI調節器環節中補償后，由補償后的三相坐標(dqo)轉換成參考三相坐標(abc)，并合成參考矢量。再由空間矢量調制方法計算得到合成參考矢量的開關狀態，并計算得到相應的矢量占空比，接著求出每個矢量的時間間隔，最后把相應的合成參考矢量的基本矢量和時間間隔傳送到FPGA。

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