基于dsp/fpga协同控制的级联型多电平电力电子变压器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子变压器技术领域，具体涉及基于DSP/FPGA协同控制的级联 型多电平电力电子变压器。
【背景技术】
[0002] 电力电子变压器（PET)又称为固态变压器（SST)，或智能通用变压器（IUT)，是一 种把电压变换、频率变换、动态无功补偿、电能质量控制和不间断电源等功能集于一身的智 能配电设备。随着电力电子技术的发展，电力电子变压器的研宄也从低压小功率向高压大 功率发展，然而高压功率器件的工艺技术已成为制约电力电子变压器向高压大功率发展的 主要因素之一，如高压硅功率器件的电压等级一般低于6. 5kV，面对IOkV以上的配电网显 然是不能适用的。因此，只能通过改变电力电子变压器的拓扑结构来提高它的电压等级。
[0003] 改变拓扑结构可以通过多电平变流器技术和模块化串并联技术来实现。多电平变 流器主要有二极管钳位型、飞跨电容型和级联型，前二者都能在不提高开关频率的条件下 大大减小输出谐波，但都存在电容电压不平衡的问题；而级联型多电平变流器无需钳位二 极管和钳位电容，对于相同电平数的电路，所需器件最少，便于封装，易于模块化，也不存在 电容电压不平衡问题。
[0004] 此外，适当的PWM控制方法可以保证系统高性能和高效率地运行。目前的控制方 法主要有：空间矢量PWM方法，消谐波PWM方法，开关频率优化PWM方法，载波带频率变换的 PWM方法，混合载波PWM方法，相移载波PWM方法和载波交叠PWM方法等。使用载波相移技 术能够对多电平变流器的各个开关管进行控制，对控制器输出的PWM波数目有了更高的要 求，尤其是对于电力电子变压器中存在级联H桥整流器、调制解调H桥和三相逆变器时，控 制器所能提供的PWM波数目已不能满足。
[0005] 载波相移技术适合对级联型变流器进行控制，但是该技术对实际控制器实现有较 高要求，首先是对控制器PWM端口数目要求能够满足对众多级联模块内开关器件的需求。 而目前常见的DSP芯片只提供6~18路PWM波形产生器。如TMS320F2812芯片只能提供 16路PWM脉冲信号。对于单相变流器，最多能够为九电平变流器提供PWM脉冲。对于三相 变流器，最多能够为三电平变流器提供脉冲。而所述电力电子变压器中存在级联H桥整流 器、调制解调H桥和三相逆变器。所需PWM脉冲信号数目远远大于单个DSP所能提供的PWM 脉冲信号数目。另外，对于所述电力电子变压器，其控制系统包括前级控制系统、中间级控 制系统和后级控制系统。若使用单个DSP控制器，各个控制系统的控制算法会对DSP的运 算资源和时序产生竞争和耦合，导致算法效率降低。而若使用多个DSP控制器，则各控制器 之间的时序同步难以实现。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电 力电子变压器，通过FPGA芯片扩展多路PWM波发生器，实现硬件电路集成化；适用于高压大 功率场合；实现在不提高开关频率的条件下大大减小输出谐波，降低损耗，解决均压问题。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[0008] 基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，包括前级整流级电路、 中间隔离级电路、后级逆变级电路和协同控制模块；
[0009] 工频交流电通过前级整流级电路整流成为第一直流电输入到中间隔离级电路；中 间隔离级电路先将第一直流电调制为高频方波交流电，再将高频方波交流电通过高频变压 器进行电压等级变换和隔离处理，然后再解调为第二直流电输出到后级逆变级电路；后级 逆变级电路将第二直流电进行逆变输出所需交流电；
[0010] 协同控制模块包括DSP模块和FPGA模块；
[0011] DSP模块用于根据给定直流侧电压值，通过计算处理输出PWM波占空比数据给 FPGA模块，FPGA模块采用载波相移技术得到第一PWM波控制前级整流级电路进行整流； FPGA模块还用于产生第二PWM波分别控制中间隔离级电路进行调制和解调；DSP模块产生 第三PWM波控制后级逆变级电路进行逆变处理。
[0012] 所述前级整流级电路由多个H桥变流器级联组成；H桥变流器的个数由输入的电 网电压和组成级联型H桥变流器的IPM模块的耐压水平决定。
[0013] 所述前级整流级电路的前级控制系统包括DSP模块的外环直流电压PI控制器、内 环交流电流PI控制器和电网电压定向锁相环；
[0014] 外环直流电压PI控制器用于根据给定直流侧电压值，分别控制多个H桥变流器直 流侧电压稳定；
[0015] 内环交流电流环PI控制器用于根据外环直流电压PI控制器输出的电流参考值计 算处理，输出PWM波占空比数据到FPGA模块，FPGA模块经过比较调制处理分别输出控制各 级H桥变流器的多个第一PWM波；
[0016] 电网定向锁相环用于实现对电网电压矢量相位的确定以及用于确定输出电压的 基准相位。
[0017] 所述中间隔离级电路由H桥DC/AC变流器、高频变压器和H桥AC/DC变流器组成； 第一直流电经H桥DC/AC变流器调制为高频方波交流电，高频方波交流电由高频变压器耦 合至副边低压侧，副边低压侧输出的高频方波再经H桥AC/DC变流器解调为第二直流电输 出。
[0018] 所述中间隔离级电路的控制方法采用开环控制，由FPGA模块输出50%占空比的 第二PWM波分别控制H桥DC/AC变流器的调制和H桥AC/DC变流器的解调。
[0019] 所述后级逆变级电路为三相逆变器。
[0020] 所述后级逆变级电路的后级控制系统包括DSP模块的外环负载电压PI控制器、内 环负载电流PI控制器和给定相位计算模块；
[0021] 外环负载电压PI控制器用于根据给定交流侧负载电压值，控制三相半桥逆变器 的输出电压；
[0022] 内环负载电流PI控制器用于根据外环负载电压PI控制器输出的电流参考值快速 跟踪给定参考电流，输出PWM波占空比数据到DSP的内部PWM发生器，由DSP的内部PWM发 生器输出第三PWM波控制后级逆变级工作；
[0023] 定相位计算模块用于根据给定的频率和初始相位信息来计算输出电压矢量的相 位。
[0024] 本发明的优点在于：
[0025] 通过使用DSP芯片，发挥其计算速度快、功耗低、价格便宜的优点，对控制系统进 行实施采样和计算处理，提高了控制系统的效率。通过使用FPGA芯片，发挥其并行处理和 IO口数目多且可灵活配置的优势，解决了DSP由于内部定时器不足而不能产生足够PWM脉 冲信号的问题。
[0026] 所述电力电子变压器基于DSP和FPGA协同控制，能够为了满足前级电压等级而 增加前级整流级的H桥级联数目，同时不增加控制器数目。通过FPGA的并行运算，直接在 FPGA内部实现对中间级隔离级的开环控制，与DSP的控制算法运算及FPGA内的载波相移 PWM调制实现并行运行，不抢占DSP内部运算资源，不影响前级整流级电路和后级逆变级电 路控制算法的运算时间，更好地实现了对中间级隔离级电路的控制，且降低了各级电路之 间控制系统的耦合度。各级控制系统的解耦能够减少外部扰动，实现控制算法的高效运行。
[0027] 本发明实现硬件电路集成化；前级整流级为级联型，采用载波相移PWM调制技术， 不仅具有传统变压器变压、隔离和能量传递的功能，也能实现能量双向流动、无功补偿、电 能质量控制、可再生能源和能量储存设备接入的功能，同时提高了前级整流级的电压等级 和低压级的电流等级以适应高压大功率场合；实现在不提高开关频率的条件下大大减小输 出谐波，降低了损耗，且无均压问题。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明电力电子变压器的结构示意图；
[0029] 图2为本发明协同控制模块的结构示意图；
[0030] 图3为本发明前级控制系统的控制原理示意图；
[0031] 图4为本发明前级控制系统中FPGA模块采用载波相移技术的控制原理示意图；
[0032] 图5为本发明前级整流级电路网侧电压和电流仿真波形图；
[0033] 图6为本发明前级整流级电路直流侧各级电压的仿真波形图；
[0034] 图7为本发明后级控制系统的结构示意图。
[0035] 图8为本发明后级逆变级负载侧电压仿真波形图。