適用于單相多電平鉗位型與級聯(lián)型變換器的簡化多電平空間矢量脈寬調制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及高壓大功率調速系統(tǒng)、電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)、大功率靜止無功發(fā) 生器的設計與制造領域。
【背景技術】
[0002] 近年來，多電平變換器W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錯位型和單元級聯(lián)型兩大類。針對不同的應用領 域，不同的變換器在各個工業(yè)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(tǒng)、高壓直流輸電系統(tǒng)、電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)、大功率靜止無功發(fā)生器等領域。
[0003] 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（space vector 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 width modulation，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(yōu)點，具備廣闊的應用前景，但作為傳統(tǒng)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S次方關系且不具備CPS-PWM方法可擴展性強、 資源占用少等優(yōu)點，傳統(tǒng)的多電平SVPWM僅適合輸出電平數較低的場合，難W在級聯(lián)H橋型 變換器上的到廣泛應用。
[0004] 隨著現場可編程口陣列(FPGA)的不斷發(fā)展，其功能越來越強大，應用也越來越廣 泛。在運樣的背景下，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 審IJ系統(tǒng)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 口控信號的產生，不僅利于向多電平拓撲發(fā)展，能夠 產生更加精確的PWM口控信號，同時將AD等外部設備的控制放到FPGA中執(zhí)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。
[0005] 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W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(yōu)點，同時將 核屯、控制器(浮點DSP)從繁重的重復性計算中解放出來，使其更好地運行核屯、控制程序。同 時隨著電子設計自動化技術化DA)的不斷發(fā)展，使得設計者能夠依托可編程邏輯器件 (FPGAXPLD)、專用忍片等載體，在抓A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(guī)模不斷加大的同時，使得產品的 小型化逐步成為一種發(fā)展趨勢。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對單相五電平與屯電平的錯位型與級聯(lián)型變換器提供一種簡 化單相SVPWM方法，在具備傳統(tǒng)單相多電平SVPWM方法易于數字化實現等優(yōu)點的前提下，用 W降低傳統(tǒng)單相五電平/屯電平SVPmi方法調制計算復雜度、減少調制系統(tǒng)忍片資源占用 量。該方法適用于單相五電平與屯電平的錯位型與級聯(lián)型變換器，具有良好的調制性能和 良好的動靜態(tài)性能，且具有計算復雜度低、易于數字化實現、忍片資源占用低等優(yōu)點。
[0007] 本發(fā)明為實現其發(fā)明目的，所采用的技術方案是：
[0008] -種適用于單相多電平錯位型與級聯(lián)型變換器簡化多電平空間矢量脈寬調制方 法，將單相多電平空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間分割為兩個W上單相=電平 空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間，根據參考空間電壓矢量所在扇區(qū)的不同，按 照特定的矢量合成方案，利用一個固定矢量與一個旋轉矢量對參考空間電壓矢量進行等 效，其中固定矢量用于產生固定的PWM脈沖信號序列，旋轉矢量用于完成單相S電平空間矢 量脈寬調制相關計算，從而實現單相多電平空間矢量脈寬調制;所述多電平為五電平或屯 電平。
[0009] 多電平為五電平時，將單相五電平空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間分 割為兩個單相=電平空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間，在每個開關周期Ts開始 時刻，如圖2所示，對參考空間電壓矢量Ur采樣并進行扇區(qū)判斷，根據參考空間電壓矢量所 在扇區(qū)的不同，按照特定的矢量合成方案，利用一個固定矢量與一個旋轉矢量對參考空間 電壓矢量進行等效。當參考空間電壓矢量位于I扇區(qū)時，利用固定矢量化和旋轉矢量巧'"合 成參考空間電壓矢量Ur,固定矢量化用于產生固定的PWM脈沖信號序列，旋轉矢量巧用于 完成單相=電平空間矢量脈寬調制相關計算并根據特定的矢量作用序列產生PWM信號；當 參考空間電壓矢量位于II扇區(qū)時，利用固定矢量化I和旋轉巧?^>合成參考空間電壓矢量山， 固定矢量化I用于產生固定的PWM脈沖信號序列，旋轉矢量1當> 用于完成單相=電平空間矢 量脈寬調制相關計算并根據特定的矢量作用序列產生PWM信號，從而實現單相五電平空間 矢量脈寬調制。
[0010] 多電平為屯電平時，將單相屯電平空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間分 割為=個單相=電平空間矢量脈寬調制算法對應的電壓矢量空間，在每個開關周期Ts開始 時刻，如圖3所示，對參考空間電壓矢量Ur采樣并進行扇區(qū)判斷，根據參考空間電壓矢量所 在扇區(qū)的不同，按照特定的矢量合成方案，利用一個固定矢量與一個旋轉矢量對參考空間 電壓矢量進行等效。當參考空間電壓矢量位于I扇區(qū)時，利用固定矢量化和旋轉矢量巧">合 成參考空間電壓矢量山，固定矢量化用于產生固定的PWM脈沖信號序列，旋轉矢量巧W用于 完成單相=電平空間矢量脈寬調制相關計算并根據特定的矢量作用序列產生PWM信號；當 參考空間電壓矢量位于II扇區(qū)時，固定矢量為0,旋轉式量與參考空間電壓矢量等效，利用 參考空間電壓矢量完成單相=電平空間矢量脈寬調制相關計算并根據特定的矢量作用序 列產生PWM信號；當參考空間電壓矢量位于HI扇區(qū)時，利用固定矢量Um和旋轉玲f合成參 考空間電壓矢量&，固定矢量11111用于產生固定的?￥1脈沖信號序列，旋轉矢量巧；：>用于完成 單相=電平空間矢量脈寬調制相關計算并根據特定的矢量作用序列產生PWM信號，從而實 現單相屯電平空間矢量脈寬調制。
[0011] 所述單相S電平SVPWM方法對應原理為：
[001 ^ 在每個開關周期L開始時刻，對旋轉矢量嶺''(.r = U則)采樣并進行扇區(qū)判斷，然后 根據伏秒平衡原理對不同的扇區(qū)建立方程組，求解空間電壓矢量作用時間，并根據參考空 間電壓矢量位于不同扇區(qū)時特定矢量作用序列生成PWM信號。
[0013] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0014] -、本發(fā)明為單相五電平錯位型與級聯(lián)型變換器提供了計算復雜度較低的調制方 法。該方法通過將單相五電平SVPWM矢量空間分解為兩個單相S電平SVPWM矢量空間，利用 一個固定矢量和一個旋轉矢量等效參考空間電壓矢量，其中固定矢量用于產生固定的PWM 信號，旋轉矢量用于完成單相=電平SVPWM相關計算，從而使得單相五電平SVPWM計算復雜 度有效降低。
[0015] 二、本發(fā)明為單相屯電平錯位型與級聯(lián)型變換器提供了計算復雜度較低的調制方 法。該方法通過將單相屯電平SVPWM矢量空間分解為S個單相S電平SVPWM矢量空間，利用 一個固定矢量和一個旋轉矢量等效參考空間電壓矢量，其中固定矢量用于產生固定的PWM 信號，旋轉矢量用于完成單相=電平SVPWM相關計算，從而使得單相屯電平SVPWM計算復雜 度有效降低。
[0016] S、本發(fā)明為單相五電平/屯電平錯位型與級聯(lián)型變換器提供的調制方法與傳統(tǒng) 單相五電平/屯電平SVPWM方法相比，有效降低了算法實現難度與忍片資源占用量。
[0017] 四、本發(fā)明為單相五電平/屯電平錯位型與級聯(lián)型變換器提供的調制方法與傳統(tǒng) 單相五電平/屯電平SVPWM方法相比，可W有效降低部分開關器件的開關損耗。
[0018] 可見，采用本發(fā)明所述方案可W簡單、可靠、穩(wěn)定地完成單相五電平/屯電平錯位 型與級聯(lián)型變換器的空間矢量脈寬調制，并且能夠有效降低忍片資源占用量，降低成本。
[0019] 為了對本發(fā)明所述算法進行驗證，分別W單相五電平/屯電平錯位型和級聯(lián)型變 換器為例，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明所述調制方法進一步詳細的說明。
【附圖說明】
[0020] 圖Ia為本發(fā)明適用的單相五電平錯位型變換器拓撲結構。
[0021] 圖化為本發(fā)明適用的單相五電平級聯(lián)型變換器拓撲結構。
[0022] 圖I