一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法，主要包括控制箱、触摸屏和外部I/O接口，所述控制箱由AVR系列单片机、Altera公司flex10K系列FPGA、美国德州仪器公司32位数字信号处理器的第六代TMS320系列的高性能芯片TMS320F28335主控制器和西门子S-300系列PLC组成。本发明采用基于映射原理的SVPWM调制算法对五级十一电平逆变器进行调制，控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量也比较低，可应用于高压大功率交流电动机的变频调速领域，在水厂、电厂中的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机、轨道交通的电力机车牵引系统中能节省电能，降低污染，具有很好的经济效益。
【专利说明】一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，涉及一种级联型多电平逆变器的控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]变频调速技术经过半个多世纪的发展、丰富和完善，随着现代电力电子技术的不断革新和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速技术以其完美实现电机运行，矢量控制等优良性能，已逐步成为现今传动系统调速的主流产品。
[0003]作为以高压大功率变换为研究对象的多电平变换技术已经成为电力电子学科一个崭新的研究方向。多电平变换技术是一种新型变换器，只改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出，不需要升压、降压变压器和均压电路。输出的波形具有更好的谐波频谱特性，每个开关器件所承受的电压应力也较小，因此，当需要高压大功率变换时多电平变换技术就是一种具有代表性的技术，是较为理想的研究方案。
[0004]近几年研发的一种电路拓扑结构一功率单元级联型多电平逆变器广泛应用于电机的变频调速中，它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。由于采用模块化设计，各个功率单元相互级联，在变频器的直流环节采用了电容元件，无需输出变压器及任何形式的滤波器便可直接驱动交流电动机，这是它的显著优点，具有广阔的发展空间。
[0005]但是变频器存在一个不容忽视的缺陷一输出侧和输入侧电压或电流含有大量的谐波干扰，这使得电压、电流波形发生畸变，这些谐波会对电网和电机造成不良影响，必须采取抑制谐波的措施。这一系列措施中，脉宽调制(PWM)技术较为重要，而其中的正弦脉宽调制(SPWM)技术的调制效果良好，较为完善，一直沿用至今。
[0006]上一世纪八十年代中期，德国学者H.ff.VanDerBroek首先提出另一种PWM技术即本发明所提到的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，它可以克服脉宽调制技术的缺点，表现在谐波抑制效果更好、转矩较为平稳，直流利用率更高且非常适合用计算机控制，因此很快得到推广应用，逐渐成为变频调速技术的另一个中流砥柱。
[0007]随着高压大功率变频调速技术中新型调制方法如雨后春笋般迅猛发展，高压变频器也将不断推陈出新，日趋完善，应用领域更为深入国民经济各行业产业。研制出节能、环保、闻效的闻压变频器，提闻国内广品的性能，无论是在提闻效率节能减排方面，还是缩小我国同发达国家在该领域的差距方面，都是时代赋予我们的一项长远追求，具有深远的意义。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种级联型多电平逆变器的控制方法，采用基于映射原理的SVPWM调制算法对五级十一电平逆变器进行调制，控制方式灵活，输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量也比较低，可应用于高压大功率交流电动机的变频调速领域，在水厂、电厂中的风机、泵类负载和钢厂轧钢所用的高压大功率交流电动机、轨道交通的电力机车牵引系统中能节省电能，降低污染，具有很好的经济效益。其技术方案如下:
[0009]一种级联型多电平逆变器的控制系统，主要包括控制箱、触摸屏和外部I/O接口，所述控制箱由AVR系列单片机、Altera公司fIexlOK系列FPGA、美国德州仪器公司32位数字信号处理器的第六代TMS320系列的高性能芯片TMS320F28335主控制器和西门子S-300系列PLC组成；
[0010]所述DSP主控制器的用途为:完成多路空间矢量PWM脉冲的实时计算，将计算的数据按任务要求所允许的时间范围内传给逻辑器件FPGA ;控制功率单元的工作，与单元控制板进行通信，控制功率开关管IGBT的通断，更为快速的实时传输功率单元的运行状态；获得逆变器各部分电压、电流数据和温度；通过西门子S-300系列PLC与触摸屏通信，并完成与外部I/O接口的联系；实现模拟量和开关量的输入、输出；
[0011]所述FPGA的用途为:在实时获取DSP传送过来的产生高、低电平脉冲时间后，实时发生30路PWM脉冲信号，控制箱中的光纤板将30路脉冲信号通过具有电气隔离功能的光纤传送给每个功率单元；功率单元内部的单元控制板采用AVR单片机来实现死区的设置和功率单元的保护。
[0012]一种级联型多电平逆变器的控制方法，包括以下步骤:
[0013](I)确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量；
[0014](2)参考空间矢 量映射到中心子六边形对应的扇区；
[0015](3)利用两电平SVPWM调制方法确定合成参考矢量的开关矢量、开关矢量的作用顺序和作用时间；
[0016](4)将得到的开关矢量、作用顺序和作用时间进行逆映射，得到多电平逆变器的开关矢量、作用顺序和作用时间。
[0017]具体为:
[0018]包括以下步骤:
[0019]A.确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量
[0020]设三相对称输出电压为Uref' = (urAl,urB1,UrclY ,三相开关函数为Sa, Sb,
S。，并且Sa，b，。= {0，1，...，Π1-1}，m为多电平逆变器的电平数，三相输出电压分别表示为uM1 = SaE, Uri31 = SbE, urC1 = ScE,则每一相输出的电平序数表示为0,1,…
，(m-l);加入零序电压分量Uz后，三相参考电压表不为(7, - (urA,urB,utC)T ,则有
【权利要求】
1.一种级联型多电平逆变器的控制系统，其特征在于，主要包括控制箱、触摸屏和外部I/o接口，所述控制箱由AVR系列单片机、Altera公司fIexlOK系列FPGA、美国德州仪器公司32位数字信号处理器的第六代TMS320系列的高性能芯片TMS320F28335主控制器和西门子S-300系列PLC组成； 所述DSP主控制器的用途为:完成多路空间矢量PWM脉冲的实时计算，将计算的数据按任务要求所允许的时间范围内传给逻辑器件FPGA ;控制功率单元的工作，与单元控制板进行通信，控制功率开关管IGBT的通断，更为快速的实时传输功率单元的运行状态；获得逆变器各部分电压、电流数据和温度；通过西门子S-300系列PLC与触摸屏通信，并完成与外部i/o接口的联系；实现模拟量和开关量的输入、输出； 所述FPGA的用途为:在实时获取DSP传送过来的产生高、低电平脉冲时间后，实时发生30路PWM脉冲信号,控制箱中的光纤板将30路脉冲信号通过具有电气隔离功能的光纤传送给每个功率单元；功率单元内部的单元控制板采用AVR单片机来实现死区的设置和功率单元的保护。
2.一种级联型多电平逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: A.确定包含参考矢量顶点的子六边形中心即基矢量 设三相对称输出电压为U耐\ = (itrAl,nm,itrci )T ^三相开关函数为sa, Sb, S。，并且Sa，b，。= {0，1，...，πι-1}，m为多电平逆变器的电平数，三相输出电压分别表示为urA1 = SaE, urB1 = SbE, urC1 = ScE,则每一相输出的电平序数表示为0,1,…，(m_l)；加入零序电压分量Uz后，三相参考电压表不为Uref = {UrA-,UrB,UrcY ,则有
【文档编号】H02M7/483GK103986356SQ201410200407
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】卢峥, 欧阳红林, 肖牧轩, 阳助威 申请人:湖南大学