CN104852601A - 基于dsp/fpga协同控制的级联型多电平电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于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；工频交流电通过前级整流级电路整流为第一直流电，再经中间隔离级电路调制为高频方波交流电，再经高频变压器电压等级变换、隔离和解调输出第二直流电，再经后级逆变级电路逆变输出所需交流电；协同控制模块包括DSP模块和FPGA模块，用于产生分别控制前级整流级电路、中间隔离级电路和后级逆变级电路的PWM波。本发明提供足够的PWM端口，实现电路集成化；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，适用高压大功率场合，并在不提高开关频率下减小输出谐波，降低损耗，且无均压问题。

Description

基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器

技术领域

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

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究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10kV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。

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。

此外，适当的PWM控制方法可以保证***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。

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***包括前级控制***、中间级控制***和后级控制***。若使用单个DSP控制器，各个控制***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

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。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

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；

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；

协同控制模块包括DSP模块和FPGA模块；

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。

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。

所述前级整流级电路的前级控制***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；

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；

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；

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。

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。

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。

所述后级逆变级电路为三相逆变器。

所述后级逆变级电路的后级控制***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；

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；

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；

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。

本发明的优点在于：

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***进行实施采样和计算处理，提高了控制***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。

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***的耦合度。各级控制***的解耦能够减少外部扰动，实现控制算法的高效运行。

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

图1为本发明电力电子变压器的结构示意图；

图2为本发明协同控制模块的结构示意图；

图3为本发明前级控制***的控制原理示意图；

图4为本发明前级控制***中FPGA模块采用载波相移技术的控制原理示意图；

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；

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；

图7为本发明后级控制***的结构示意图。

图8为本发明后级逆变级负载侧电压仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述，但不构成对本发明保护范围的限制。

如图1所示，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、后级逆变级电路和控制模块；

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；

控制模块包括DSP模块和FPGA模块；

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模块还用于分别产生第二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。

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，IPM模块采用日本三菱公司生产的PM300DVA120。

如图2所示，前级控制***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；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；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；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。其中，DSP型号为TI公司产的TMS320F2812，FPGA型号为Altera公司产的CycloneII系列EP2C70F896C6N。

该电力电子变压器的控制过程为：

1)前级整流级：

如图3所示，前级控制***由外环直流电压PI控制器、内环交流电流PI控制器和电网定向锁相环组成。外环直流电压PI控制器用于根据给定直流侧电压值，控制输入级联H桥变流器直流侧的稳定。通过给定的直流电压值与采集回来的各级直流侧电压U_dc求和后进行比较，输入外环直流电压PI控制器中得到d轴电流参考值采用外环直流电压PI控制器实现对H桥变流器直流侧电压值的无静差控制。内环交流电流环PI控制器用于H桥变流器交流侧电流波形和相位的直接控制，上述的d轴电流参考值q轴电流参考值设定为0A，分别与采集的d轴电流和q轴电流进行比较后送入到内环交流电流环PI控制器中，分别输出d轴电压参考值和q轴电压参考值内环交流电流环PI控制器实现对所计算参考电流的快速跟踪。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。对单相电压的锁相环，先对电网单相电压进行虚拟三相。本发明采用直接延迟的方法，将电网电压依次延迟120°和240°，得到虚拟的三相电之后便可进行锁相，得到电网相位信息。

通过上述外环直流电压PI控制器和内环交流电流PI控制器计算得到的是级联H桥期望输出的正弦参考基波电压值，通过归一化处理后得到PWM波占空比数据，由DSP的SPI接口将占空比数据传输给FPGA模块。FPGA模块采用载波相移技术，如图4所示，各三角载波的初始相位由级联H桥的级联数目所确定，各三角载波的初始相位为从0°开始，依次按进行累加，一直累加至在计算得到各级相位后，即各级计数初值，通过FPGA内部多个计数器模块分别将各级相位和一定的时钟速率进行加减技术，从而得到多路幅值相等而相位不同的相移三角载波，再分别与占空比数据进行比较调制之后分别得到多个第一PWM波，分别通过FPGA的IO口传输到IPM模块中去。

如图5所示为前级整流级电路网侧的电压电流仿真波形。如图6所示为前级整流级电路直流侧各级电压的仿真波形。可以看到，采用级联型变流器能够通过级联H桥来适配网侧电压等级，并采用载波相移技术实现各级均压。并且在0.2s加入负载后能够迅速响应，波形波动不大。

2)中间隔离级：

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1000Hz的高频方波交流电，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。中间级隔离级电路两侧的H桥分别需要输入50％占空比的PWM波来实现调制和解调。由于不需要进行反馈控制，故只需进行开环的PWM波输出，因此通过FPGA编写50％占空比PWM波发生器输出第二PWM波分别控制调制和解调过程。

3)后级逆变级：

后级逆变级为三相逆变器，采用三相半桥电路，通过DSP模块控制。三相半桥电路需六路PWM波，均由DSP输出。

如图7所示，后级控制***由外环负载电压PI控制器、内环负载电流P控制器和给定相位计算环节组成。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。通过将给定的交流电压值与采集的交流电压U_ac进行比较，送入到外环负载电压PI控制器，得到d轴电流参考值内环负载电流PI控制器用于快速跟踪给定参考电流。q轴电流参考值设定为0A，上述的d轴电流参考值和q轴电流参考值分别与d轴电流和q轴电流进行比较后送入到内环负载电流PI控制器，分别输出d轴电压参考值和q轴电压参考值由于后级逆变级不需要并入电网，故通过给定相位计算模块根据给定的频率和初始相位来计算输出电压矢量的相位。后级控制***相对于常用的电压瞬时值反馈控制方法，在负载波动较大的情况下，或者负载中含有非线性负载时，更能够保证***的稳定性，进一步提高了***的动态性能。

通过后级控制***计算得到的电压参考值，可通过归一化得到占空比数据后，直接赋值给DSP内部PWM发生器的比较寄存器，通过该PWM发生器分别调制6路PWM波脉冲信号，驱动后级逆变级工作。

如图8所示，为后级逆变级电路负载侧电压电压波形，可以看到后级逆变级电路能够产生所需的三相平衡的交流电压，并且在0.2s加入负载之后能够迅速响应，电压波形基本无变化。

Claims (7)

1.基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：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；

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；

协同控制模块包括DSP模块和FPGA模块；

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。

2.如权利要求1所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：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。

3.如权利要求2所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：所述前级整流级电路的前级控制***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；

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；

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；

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。

4.如权利要求1所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：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。

5.如权利要求4所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：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。

6.如权利要求1所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：所述后级逆变级电路为三相逆变器。

7.如权利要求6所述的基于DSP/FPGA协同控制的级联型多电平电力电子变压器，其特征在于：所述后级逆变级电路的后级控制***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；

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；

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；

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。