适用于单相多电平钳位型与级联型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法

适用于单相多电平钳位型与级联型变换器的简化多电平空间矢量脉宽调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及高压大功率调速系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无功发 生器的设计与制造领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，多电平变换器W其独特的结构特点，在高压大功率场合受到广泛关注。目 前常见的电压型多电平变换器大致可分为错位型和单元级联型两大类。针对不同的应用领 域，不同的变换器在各个工业应用领域中逐渐扮演越来越重要的角色，如高压大功率调速 系统、高压直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大功率静止无功发生器等领域。
[0003] 脉冲调制技术作为直接影响多电平变换器输出性能的关键技术之一，主要包括正 弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation,SPWM)、空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM)、最近电平控制（nearest level control，NLC) 等。目前，载波移相正弦脉宽调制（carrier phase-shifted sinusoidal pulse width modulation，CPS-PWM)因其易于各功率单元能量均衡分布、谐波特性好、可扩展性强、资源 占用少，在CHMC中得到了广泛应用。相比SPWM，SVPWM具有易于数字化实现、电压利用率高等 优点，具备广阔的应用前景，但作为传统两电平SVPWM在多电平变换器上的扩展应用，由于 电压空间矢量数量与输出电平数之间满足S次方关系且不具备CPS-PWM方法可扩展性强、 资源占用少等优点，传统的多电平SVPWM仅适合输出电平数较低的场合，难W在级联H桥型 变换器上的到广泛应用。
[0004] 随着现场可编程口阵列(FPGA)的不断发展，其功能越来越强大，应用也越来越广 泛。在运样的背景下，为了克服双DSP结构存在的缺点，逐渐提出了一种基于DSP和FPGA的控 审IJ系统结构，此类结构由一片浮点运算DSP和一片FPGA组成，两者之间通过双口 RAM进行数 据交换，其特点在于利用FPGA完成PWM 口控信号的产生，不仅利于向多电平拓扑发展，能够 产生更加精确的PWM口控信号，同时将AD等外部设备的控制放到FPGA中执行，进一步减轻了 浮点DSP的工作任务。但该结构中浮点DSP仍需要完成空间矢量调制的相关计算工作。
[0005] 随着调制算法复杂度不断加大，对其性能要求越来越高，利用专用的软核完成 SVPWM运算W及相关外部设备的控制，不仅兼具硬件电路速度快、可靠性高等优点，同时将 核屯、控制器(浮点DSP)从繁重的重复性计算中解放出来，使其更好地运行核屯、控制程序。同 时随着电子设计自动化技术化DA)的不断发展，使得设计者能够依托可编程逻辑器件 (FPGAXPLD)、专用忍片等载体，在抓A软件平台上利用硬件描述语言完成硬件电路的设计， 极大地提高了电路设计的效率和可移植性，在硬件电路规模不断加大的同时，使得产品的 小型化逐步成为一种发展趋势。

【发明内容】

[0006] 本发明的目的是针对单相五电平与屯电平的错位型与级联型变换器提供一种简 化单相SVPWM方法，在具备传统单相多电平SVPWM方法易于数字化实现等优点的前提下，用 W降低传统单相五电平/屯电平SVPmi方法调制计算复杂度、减少调制系统忍片资源占用 量。该方法适用于单相五电平与屯电平的错位型与级联型变换器，具有良好的调制性能和 良好的动静态性能，且具有计算复杂度低、易于数字化实现、忍片资源占用低等优点。
[0007] 本发明为实现其发明目的，所采用的技术方案是：
[0008] -种适用于单相多电平错位型与级联型变换器简化多电平空间矢量脉宽调制方 法，将单相多电平空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间分割为两个W上单相=电平 空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间，根据参考空间电压矢量所在扇区的不同，按 照特定的矢量合成方案，利用一个固定矢量与一个旋转矢量对参考空间电压矢量进行等 效，其中固定矢量用于产生固定的PWM脉冲信号序列，旋转矢量用于完成单相S电平空间矢 量脉宽调制相关计算，从而实现单相多电平空间矢量脉宽调制;所述多电平为五电平或屯 电平。
[0009] 多电平为五电平时，将单相五电平空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间分 割为两个单相=电平空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间，在每个开关周期Ts开始 时刻，如图2所示，对参考空间电压矢量Ur采样并进行扇区判断，根据参考空间电压矢量所 在扇区的不同，按照特定的矢量合成方案，利用一个固定矢量与一个旋转矢量对参考空间 电压矢量进行等效。当参考空间电压矢量位于I扇区时，利用固定矢量化和旋转矢量巧'"合 成参考空间电压矢量Ur,固定矢量化用于产生固定的PWM脉冲信号序列，旋转矢量巧用于 完成单相=电平空间矢量脉宽调制相关计算并根据特定的矢量作用序列产生PWM信号；当 参考空间电压矢量位于II扇区时，利用固定矢量化I和旋转巧?^>合成参考空间电压矢量山， 固定矢量化I用于产生固定的PWM脉冲信号序列，旋转矢量1當> 用于完成单相=电平空间矢 量脉宽调制相关计算并根据特定的矢量作用序列产生PWM信号，从而实现单相五电平空间 矢量脉宽调制。
[0010] 多电平为屯电平时，将单相屯电平空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间分 割为=个单相=电平空间矢量脉宽调制算法对应的电压矢量空间，在每个开关周期Ts开始 时刻，如图3所示，对参考空间电压矢量Ur采样并进行扇区判断，根据参考空间电压矢量所 在扇区的不同，按照特定的矢量合成方案，利用一个固定矢量与一个旋转矢量对参考空间 电压矢量进行等效。当参考空间电压矢量位于I扇区时，利用固定矢量化和旋转矢量巧">合 成参考空间电压矢量山，固定矢量化用于产生固定的PWM脉冲信号序列，旋转矢量巧W用于 完成单相=电平空间矢量脉宽调制相关计算并根据特定的矢量作用序列产生PWM信号；当 参考空间电压矢量位于II扇区时，固定矢量为0,旋转式量与参考空间电压矢量等效，利用 参考空间电压矢量完成单相=电平空间矢量脉宽调制相关计算并根据特定的矢量作用序 列产生PWM信号；当参考空间电压矢量位于HI扇区时，利用固定矢量Um和旋转玲f合成参 考空间电压矢量&，固定矢量11111用于产生固定的?￥1脉冲信号序列，旋转矢量巧；：>用于完成 单相=电平空间矢量脉宽调制相关计算并根据特定的矢量作用序列产生PWM信号，从而实 现单相屯电平空间矢量脉宽调制。
[0011] 所述单相S电平SVPWM方法对应原理为：
[001 ^ 在每个开关周期L开始时刻，对旋转矢量岭''(.r = U则)采样并进行扇区判断，然后 根据伏秒平衡原理对不同的扇区建立方程组，求解空间电压矢量作用时间，并根据参考空 间电压矢量位于不同扇区时特定矢量作用序列生成PWM信号。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0014] -、本发明为单相五电平错位型与级联型变换器提供了计算复杂度较低的调制方 法。该方法通过将单相五电平SVPWM矢量空间分解为两个单相S电平SVPWM矢量空间，利用 一个固定矢量和一个旋转矢量等效参考空间电压矢量，其中固定矢量用于产生固定的PWM 信号，旋转矢量用于完成单相=电平SVPWM相关计算，从而使得单相五电平SVPWM计算复杂 度有效降低。
[0015] 二、本发明为单相屯电平错位型与级联型变换器提供了计算复杂度较低的调制方 法。该方法通过将单相屯电平SVPWM矢量空间分解为S个单相S电平SVPWM矢量空间，利用 一个固定矢量和一个旋转矢量等效参考空间电压矢量，其中固定矢量用于产生固定的PWM 信号，旋转矢量用于完成单相=电平SVPWM相关计算，从而使得单相屯电平SVPWM计算复杂 度有效降低。
[0016] S、本发明为单相五电平/屯电平错位型与级联型变换器提供的调制方法与传统 单相五电平/屯电平SVPWM方法相比，有效降低了算法实现难度与忍片资源占用量。
[0017] 四、本发明为单相五电平/屯电平错位型与级联型变换器提供的调制方法与传统 单相五电平/屯电平SVPWM方法相比，可W有效降低部分开关器件的开关损耗。
[0018] 可见，采用本发明所述方案可W简单、可靠、稳定地完成单相五电平/屯电平错位 型与级联型变换器的空间矢量脉宽调制，并且能够有效降低忍片资源占用量，降低成本。
[0019] 为了对本发明所述算法进行验证，分别W单相五电平/屯电平错位型和级联型变 换器为例，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明所述调制方法进一步详细的说明。
【附图说明】
[0020] 图Ia为本发明适用的单相五电平错位型变换器拓扑结构。
[0021] 图化为本发明适用的单相五电平级联型变换器拓扑结构。
[0022] 图I