Npc三电平15开关变换器的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种NPC三电平15开关变换器的控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着功率变换器小型化、高可靠性和低功耗的不断发展，各国学者对功率变换器 拓扑结构的改进做出了大量工作，并取得了大量成果。NPC三电平15开关变换器相对于传 统背靠背NPC三电平24开关变换器，减少了 9个开关器件及其驱动电路，该种拓扑结构在 成本和体积上具有一定优势，其拓扑结构如图1所示。
[0003] NPC三电平15开关变换器同时可具备两路三相交流输出，可实现三相交流负载的 驱动，其运行模式可分为同频运行和异频运行两种。目前并未有适合于NPC三电平15开关 变换器的控制方法。
[0004] 空间矢量调制策略已经广泛应用于功率变换器的控制，利用空间矢量调制策略可 实现不同类型功率变换器的控制，但是不同拓扑结构功率变换器的空间矢量调制策略不 同，比如9开关变换器的空间矢量调制方法，其调制方法是由上下两个交流输出端的电压 矢量共同决定开关器件的工作状态，而不是传统意义上单一电压矢量决定开关器件的开关 状态。同理，NPC三电平15开关变换器的调制方法，也不同于其他功率变换器的调制方法， 亟待研发适合于NPC三电平15开关变换器的控制方法。
【发明内容】
[0005] 本发明针对NPC三电平15开关变换器的工作特点，提出一种NPC三电平15开关 变换器的控制系统及控制方法，该方法同时适用于NPC三电平15开关变换器的同频和异频 工作模式。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种NPC三电平15开关变换器控 制系统，其中：该NPC三电平15开关变换器控制系统包括NPC三电平15开关变换器、上端 负载、下端负载、上端电压和上端电流检测电路、下端电压和下端电流检测电路、AD转换电 路、dsPIC30F6010A控制电路和IGBT驱动电路，所述NPC三电平15开关变换器的上输出端 与上端电压和上端电流检测电路的一侧相连，上端电压和上端电流检测电路的另一侧与上 端负载相连；NPC三电平15开关变换器的下输出端与下端电压和下端电流检测电路的一侧 相连，下端电压和下端电流检测电路的另一侧与下端负载相连；上端电压和上端电流检测 电路与下端电压和下端电流检测电路的输出连接到AD转换器的输入端；AD转换器的输出 UplJ"Iu、h连接到dsPIC30F6010A控制电路的输入端；dsPIC30F6010A控制电路的输出连 接到IGBT驱动电路的输入端；IGBT驱动电路的输出端连接到NPC三电平15开关变换器开 关器件的驱动输入端。
[0007] 同时提供一种NPC三电平15开关变换器控制系统的控制方法。
[0008] 本发明的效果是采用该控制系统相对于传统背靠背NPC三电平24开关变换器控 制系统，减少了 9个开关器件及其驱动电路，该控制系统的拓扑结构在成本和体积上具有 一定优势，与传统九开关变换器控制系统相比，将电压空间矢量从27个增加到64个，提高 了系统的可控性，降低了系统输出的谐波含量。该控制系统可实现NPC三电平15开关变换 器的同频和异频控制。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明NPC三电平15开关变换器系统控制结构；
[0010] 图2-0 - 2-3分别为单个桥臂有效开关0状态、2状态、1状态、3状态；
[0011] 图3为本发明开关状态选择电路。
【具体实施方式】
[0012] 结合附图对本发明的NPC三电平15开关变换器的控制系统及方法加以说明。
[0013] 如图1所示，本发明的NPC三电平15开关变换器的控制系统结构是，NPC三电平15 开关变换器控制系统包括一个NPC三电平15开关变换器、上端负载、下端负载、上端电压和 上端电流检测电路、下端电压和下端电流检测电路、AD转换电路、dsPIC30F6010A控制电路 和IGBT驱动电路。NPC三电平15开关变换器的上输出端与上端电压和上端电流检测电路的 一侧相连，上端电压和上端电流检测电路的另一侧与上端负载相连；NPC三电平15开关变 换器的下输出端与下端电压和下端电流检测电路的一侧相连，下端电压和下端电流检测电 路的另一侧与下端负载相连；上端电压和上端电流检测电路与下端电压和下端电流检测电 路的输出连接到AD转换器的输入端；AD转换电路的输出U^Ui、Iu、I:连接到dsPIC30F6010A 控制电路的输入端；dsPIC30F6010A控制电路的输出连接到IGBT驱动电路的输入端；IGBT 驱动电路的输出端连接到NPC三电平15开关变换器开关器件的驱动输入端。
[0014] 如图1-3所示，所述NPC三电平15开关变换器控制系统的控制方法包括以下步 骤：
[0015] Stepl:首先根据上端负载和下端负载的运行模式，初始化NPC三电平15开关变换 器中各开关管的初始状态，并得到初始电压矢量。
[0016]Step2 :通过上端电压和上端电流检测电路与下端电压和下端电流检测电路进行 上端负载和下端负载的输出电压和输出电流取样。
[0017] Step3 :将取样电压经AD转换器送入dsPIC30F6010A控制电路进行处理，与参考电 压进行比较，得到上端负载和下端负载输出电压的二路电压偏差信号，分别为AUu和AU1; 二路电压偏差信号经dsPIC30F6010A控制电路的PI调节器得到二路电流参考信号，分别 为lu-ref#卩I1-ref。
[0018] St印4 :取样上端负载和下端负载输出电流经AD转换器送入dsPIC30F6010A控制 电路进行处理，分别与电流参考信号Iu_raf和I进行比较，得到二路电流偏差信号，分别 为Δ1。和ΔI1;二路电流偏差经PI调节器得到二路电压指令信号，分别为U^和UΛ
[0019] Step5 :二路电压指令信号分别进入dsPIC30F6010A控制电路的上端SVPWM调制模 块和下端SVPWM调制模块，然后判断上端负载与下端负载的电压指令信号处于电压空间矢 量分布的二个位置，并得到二路电压矢量。
[0020] St印6 :二路电压矢量进入dsPIC30F6010A控制电路中的开关状态选择电路，得到 NPC三电平15开关变换器中三个桥臂的开关状态，并判断每个迸璧开关状态是否满足约束 条件。
[0021] 单一桥臂开关器件输出逻辑状态的等效逻辑表达式或约束条件（最简式）：
[0023] 其中：\￥、\"(乂 = 乂8，(：；￥ = 1]，，1^分别代表了单一桥臂中开关器件逻辑状态 的原变量；^；、?? = 乂8，(：；￥ = 1]，，1^分别代表了单一桥臂中开关器件逻辑状 态的反变量。
[0024] 首先确定每个桥臂的有效工作状态或开关组合共四种，如表1所示。表1所对应 每个桥臂的输出状态组合电路结构如图2-0-图2-3所示。
[0025] 表1开关器件的开关状态与有效工作状态对照
[0026]
[0027] 其中：开关器件闭合时的逻辑状态为'1'，反之为'0' ；输出有效矢量为'1'，反之 为 '〇'。
[0028] 若不满足约束条件则返回到step2继续执行，否则向下执行；
[0029]Step7 :根据开关状态选择电路确定的三个桥臂开关状态，输出PWM信号，经驱动 电路驱动开关器件。
[0030]Step8 :判断系统是否停止运行，如果是则结束，否则返回st印2继续执行。
【主权项】
1. 一种NPC三电平15开关变换器控制系统，其特征是：该NPC三电平15开关变换器 控制系统包括NPC三电平15开关变换器、上端负载、下端负载、上端电压和上端电流检测 电路、下端电压和下端电流检测电路、AD转换电路、dsPIC30F6010A控制电路和IGBT驱动 电路，所述NPC三电平15开关变换器的上输出端与上端电压和上端电流检测电路的一侧相 连，上端电压和上端电流检测电路的另一侧与上端负载相连；NPC三电平15开关变换器的 下输出端与下端电压和下端电流检测电路的一侧相连，下端电压和下端电流检测电路的另 一侧与下端负载相连；上端电压和上端电流检测电路与下端电压和下端电流检测电路的输 出连接到AD转换器的输入端；AD转换器的输出Uu、UpIu、I:连接到dsPIC30F6010A控制电 路的输入端；dsPIC30F6010A控制电路的输出连接到IGBT驱动电路的输入端；IGBT驱动电 路的输出端连接到NPC三电平15开关变换器开关器件的驱动输入端。2. 根据权利要求1所述NPC三电平15开关变换器控制系统的控制方法，该方法包括以 下步骤： Stepl:首先根据上端负载和下端负载的运行模式，初始化NPC三电平15开关变换器中 各开关管的初始状态，并得到初始电压矢量； Step2 :通过上端电压和上端电流检测电路与下端电压和下端电流检测电路进行上端 负载和下端负载的输出电压和输出电流取样； Step3 :将取样电压经AD转换器送入dsPIC30F6010A控制电路进行处理，与参考电压进 行比较，得到上端负载和下端负载输出电压的二路电压偏差信号，分别为AUU和AU1;二路 电压偏差信号经dsPIC30F6010A控制电路的ΡΙ调节器得到二路电流参考信号，分别为Iu_raf 和 ref; Step4 :取样上端负载和下端负载输出电流经AD转换器送入dsPIC30F6010A控制电 路进行处理，分别与电流参考信号Iu_raf和I 进行比较，得到二路电流偏差信号，分别为 Δ1,和ΔI1;二路电流偏差经PI调节器得到二路电压指令信号，分别为UUΛ Step5 :二路电压指令信号分别进入dsPIC30F6010A控制电路的上端SVPWM调制模块和 下端SVPWM调制模块，然后判断上端负载与下端负载的电压指令信号处于电压空间矢量分 布的二个位置，并得到二电压矢量； Step6 :二电压矢量进入dsPIC30F6010A控制电路中的开关状态选择电路，得到NPC三 电平15开关变换器中三个桥臂的开关状态，并判断每个桥臂开关状态是否满足约束条件， 若不满足约束条件则返回到step2继续执行，否则向下执行； Step7 :根据开关状态选择电路确定的NPC三电平15开关变换器中每个桥臂开关状态， 输出PWM信号，经驱动电路驱动开关器件； St印8 :判断系统是否停止运行，如果是则结束，否则返回st印2继续执行。
【专利摘要】本发明提供一种NPC三电平15开关变换器控制系统，该NPC三电平15开关变换器控制系统包括NPC三电平15开关变换器、上端负载、下端负载、上端电压和上端电流检测电路、下端电压和下端电流检测电路、AD转换电路、dsPIC30F6010A控制电路和IGBT驱动电路。同时提供一种NPC三电平15开关变换器控制系统的控制方法。有益效果是采用该控制系统减少了九个开关器件及其驱动电路，该系统的拓扑结构在成本和体积上具有一定优势，将电压空间矢量从27个增加到64个，提高了系统的可控性，降低了系统输出的谐波含量。该控制系统可实现NPC三电平15开关变换器的同频和异频控制。
【IPC分类】H02M7/5387, H02M7/483
【公开号】CN105356777
【申请号】CN201510868963
【发明人】潘雷, 王贝贝, 李梅, 彭桂力, 苏刚
【申请人】天津城建大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月1日