[发明专利]一种基于FPGA的轻型直流输电多电平逆变SPWM控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子与电气传动技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的轻型直流输电多电平逆变SPWM控制系统。

背景技术

随着经济的高速发展，煤和石油等传统能源的日益减少及其对环境的污染，如何解决经济增长、环境污染和能源紧缺三者之间的关系显得尤为重要。轻型直流输电（VHDC Light）技术是20世纪90年代开始由ABB公司提出的一种新型直流输电技术，其核心是采用IGBT组成的电压源换流器（VSC）进行换流。这种换流器具有功能强、体积小，结构简单等特点，故称之为轻型直流输电。与传统直流输电相比，轻型直流输电能满足分散的、小型的、远距离的新能源的传输要求，换流站的控制更加灵活。

传统的两电平逆变器的主要缺点是电平数太少，谐波较大，需要增加滤波器，增加了成本。多电平换流器的优点有：①增加了功率器件的个数，适用于大功率场合。②随着电平数的增加，输出的波形更接近于正弦波而且谐波含量也减小了。③由于采用级联型的拓扑结构和SPWM控制方法使得单个开关元件承受的电压应力减小了。④采用SPWM方法控制可以独立调节有功和无功功率，实现四象限运行。

目前，国内外对多电平逆变做了许多的研究，主要是对以下几个方面进行改进：①建立多种新型的拓扑结构，采用容量高、功率大和易于控制的全控器件。对于多电平逆变的拓扑结构主要有级联型H桥，中点箝位二极管及飞跨电容等。同时也提出了一些新的复合型拓扑结构，如将级联型和二极管箝位型结合形成新的逆变电路。②针对不同的拓扑电路采用不同的控制方法。如阶梯波脉宽调制技术、多载波垂直分布SPWM技术、载波相移SPWM技术、空间矢量SVPWM技术等。其中应用较多的主要是SPWM和SVPWM控制方法。③数字化芯片如FPGA,DSP，ARM等的应用增加了控制系统的灵活性和多样性。④新的功率器件的开发和使用。新的功率器件如IGBT不仅能够满足大功率场合的应用，而且具有输入阻抗高，热稳定性好，速度快等优点。随着硬件和软件上的改进，多电平逆变技术在各个领域中已经取得了更好的应用。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用FPGA多个I/O口的优势，采用SPWM控制算法实现九电平逆变，可以通过较低开关频率获得较高等效开关频率的SPWM波输出，输出了电平数更多，谐波含量更低的逆变波形。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方法是：一种基于FPGA的三相九电平逆变控制系统，其特征在于：所述控制系统硬件采用级联型H桥九电平拓扑结构，软件上设计了一种基于FPGA的载波层叠SPWM控制系统，该系统包括正弦发生器模块，三角波发生器模块，多路波形比较模块，死区补偿模块和各种通信逻辑模块。

进一步的，所述级联型H桥拓扑结构需要48个IGBT器件，即需要48路SPWM波对开关管进行控制，利用FPGA丰富的I/O管脚资源能够轻松满足多路SPWM波的输出；同时利用FPGA 的多管脚和多触发器，能与单片机或者DSP连接，有利于系统的扩展，减轻多路SPWM波生成中的芯片的运算量，支持多种生成方式。 

进一步的，三相需要三路正弦信号，相位相差120°；正弦信号的产生通过查表法来实现，将一个周期内的单位正弦信号平均分成256份存放在FPGA的ROM中，地址为8位；通过采样可以得到相近的正弦信号，正弦信号的幅值可以通过乘法器来调节；调制波的表达式为： U=m·sin(ωt)，其中m为调制波的幅值，三角波FPGA的由计数器产生，根据载波比和幅值调制度来确定计数范围。

进一步的，所述控制系统采用载波层叠的调制方法，逆变器输出m电平则每相需要三角载波数是m-1个；要求m-1个载波的幅值和频率相同，在空间上垂直分布；每个H桥单元对应需要2个三角波载波，则单相需要8个三角载波，三相则总共需要24路三角载波；单相的三角载波由FPGA内8个计数器采用延时幅值变化的方法产生，每个三角波由于空间位置不同，所以计数的初始值不同，但是计数器的模相同，每个时钟计数器加1，达到最高值后计数器递减。

进一步的，所述比较模块，在同一时钟下对正弦波和三角波进行幅值比较，当正弦波幅值大于三角波幅值的时候输出高电平，当正弦波幅值小于三角波幅值的时候输出低电平。