（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）載波相移spwm級聯(lián)型多電平變流器數(shù)字化控制技術研究.pdf

浙江大學碩士學位論文 t h ed i 百t a lc 0 n 缸dt e c h i l i q u er e s e a r c ho fc a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r 自e r b a s e do nc 塒i e rp h a s e s l l i 肚ds p w m a b s t r a c t 瑚t 1 1h i 曲p o w e re l e c 們1 1 i ce q u i p m e n ti i l c r e 勰i n g 】ya p p l i e d ，d e e p l ys t l l d i e di sb e i n gd o n em t i l i sf 主e l d m 也e s ep o w e re q u i p m e n t s ，t h e r ei sas h a r pp r o b l e m ，w h i c hi st h ei n + c r e a s eo ft h ep o w e r l e v e la n dt h ei i n p r o v e m t0 ft 1 1 e s w i t c h i l l g 印p a r a t i l s 船q u c y c p s - s p w mt e c h n i q u ei sm e n o v e lt e c h n i q u et os o l v e 也i sp r o b l e m h lm i sp a p e r s o m er e s e a r c hh a sb 啪d o n et 0m ed i g i 詛1c o n 廿0 lc a s c a d e d 刪l 出e v e lc o n v 酬c e r b a s e d0 nc p s s p w mt e c h i l i q u e b y 唧l 砸n g 幻i n 舡0 d u c el i l i c r o c 0 i n r o l l e rt om ec o n 曲ls y s 咖 o fp o w e re l e c n d i l i c s ，t | i ed i 礱t a lc o n 臼lo fp o w e rc o n v e r c e ri s b e i n gi m p r o v e d b e s i d e s ，吐i e w o r k i n gm o d e lh a sb e e nc a n a l i z e dd e t a i l e d l yt t l ep m b a b i l i t yo fi n t e g r a d n gc a s c a d e dh - b r i d g e t o p 0 1 0 9 ya i l dc p s s p w mt e c h n i q u ew h i c hi sc o n 廿o l l e db yd i g i t a ls y s t e mb a sb e i n l p m v e db ya t h r e e 一1 e v e l a 1 1 df i v e l e v e lo u q m t b ym es p e c t r u ma i l a l y z i n g ，血er e s u ni sd r e w ：m ec p s s 洲 t e c h n i q u ec o u n t e r a c tt h e1 0 ws w i t c 蛐n gh 鋤o i l i c st oi n c r e a s et l ee q u a ls w i t c l l i n gh 煳o n i cw h i l e s w i f tm eh 砌o i l i c st ot 1 1 eh i 曲f e q u e n c yz o n es i i n p l y t h es a i n p gw a ye 任& tt l l ec o n 乜即t so f s w i t c h i i l gh a r m o l l i c s1 a r g e l y h lm a yp a p e r ，aa s m l i n e 仃ys 卸叩l i i l gw a yb a sb e a p p l i c a l j o ni na f i v e l e v e lc o n v e n e r b yt l l i sw a y ii tn e e d sd o u b l ed a 詛b u td i i n j m s bn l em o s ti r r e g u l a rs w i t c h i n g h 糊0 n i c si nt h e1 0 w 抒e q u c yz o n e h it l l i sp a p o n ep h a s ef i v e 一1 e v e l 、s e v e n 1 e v e l 、n i n e 一1 e v e lp o w e r i i l a g n i f yh a sb e e nr e a l i z e d t h r o u 曲c p s s p w mt e c h n i q u eb a s e d0 nd s p + c p l dh a r d w a r ep l a 怕m 1 1 l et h d ( t o t a lh a n n o n i c d i s t o n i o n ) 、m en 仙s l l l i s s i o nb o n d 、t i l ec o m p e t i 缸o nt 0r e a h z ea n dt i l e a p p l i c a 吐o no f “e r y m u l t i l e v e lo u t p u ti sa 1 1 a l y z e d ad i g i t a lp ic o n 廿_ o lc l o s e d1 0 0 ps y s o e mo ff i v e l e v e lc o n v e n e rh a s b e a p p l i e dt oas a p fs y s t e ma i l dm eo 髖e tc u r r ti si d e a l t h et h i 優(yōu)1 e v e ld e a d t i m ee 丘亂ti s a n a l y z e dd e t a i l e d l ya n dt l l 】的u g hm ed e a d 一垃m eo 熱乩m(xù) en e ts i d ec u 嗍l to ft h r e e 一1 e v e la p f c o n v e n e ri m p r o v e df u m le r b yaa s y i l c i l m l l i s m 位l i l s 嘶s s i o nw a y 舶md s p t oc p l d ，a l l - p h a s ef i v e - l e v e lp u l s eh a v e b e e ng e n e r a t e d i tr e d u c e sp o s s i b i l i t yo f 血ew m n gp u l s ea i l di n v e r s em e r e l i a b i l i t y0 fm ew h o l e s y s t e i n o m e r w i s e ，s e v e r a ld e a d t i m eg e n e r a t i o nw a y i nd i g i 詛ls y 咖ni sd i s c u s s e d 、a 1 1 a l y z e da n d c o n 仃a s t 甜w h a t sm o r e ，t l l e 螄a r c ho fs e r i a lc o m m u i l i c a t i o nf 砸d s pa i l dc p u dh 髂b e e nd o n e b yt 1 1 es c ip o r t so fu 恐4 0 7d sp m 血es i xm e t e re x p e r i m c n t ，廿1 el n i s 廿a n s 血s s i o nc o d ed u 西 r e d u c et oz e m p r 0 v i d e san e wi d e at or e d u c et i ee m i 舶m p o w e rc 硫u i tt om ei i l i c r o c o n 咖l l 既 k e yw o r d s ：d s p ；c p l d ；c a s c a d e dhm d g e ：c p s s p w mt e c h n i q u e ；m u e v e lc o n v e r t e r ； d e a d t i m ee 矗j e c t ： 浙江大學碩士學位論文 致謝 本文是在導師張仲超教授的悉心指導下完成的。在研究生的兩年多時間里，導師給予 我親切的關懷與悉心的指導。導師淵博深厚的學識，嚴謹求是的治學態(tài)度，虛懷若谷的博 大胸襟，平易近人的學者之風使我耳濡目染，如沐春風。在自己的成長過程中，深深感受 到導師的人格魅力，使我受益終身。在研究過程中，導師和我一起從理論分析到電路設計， 給我極大的幫助。近3 年來的成長，浸透著導師的大量心血。值此論文完成之際，向導師 表示深深的敬意與感謝! 感謝父母對我的養(yǎng)育之恩，親人的關懷永遠是我前進的動力，在此以論文的完成感謝 家人二十多年來對我的栽培。 本文也是在實驗室?guī)熜值艿拇罅椭峦瓿傻?。在實驗室生活中，我們結下了深厚的 友誼。感謝實驗室的王立喬博士后、胡長生博士、林平博士、感謝李玉玲、劉晨陽、鮑建 字、韋鯤、曾雨竹、熊宇、滕妨華、樓珍麗、陳丹江、陸濤濤、任軍軍、韓玨、楊欣、王 傳兵、李彩霞、孟光毅、王劍、李欣等同門師兄弟妹在學習與生活中給予我的關心與幫助， 感謝李明鋒與葉劍利師兄指導我關于c p l d 方面的知識，特別感謝同課題組的李建林與劉兆 粲師兄，我們在一起從d s p 及c p l d 編程以及三相變流器、級聯(lián)多電平變流器進行了長時間 的探討，彼此互相啟發(fā)，互相促進，受益非淺。 感謝本文的評閱和答辯委員會各位老師在百忙中對本文進行審閱、指點。 最后，再次感謝所有在我成長過程中關心、幫助我的人。 李淳 2 0 0 6 年3 月于求是園 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 1 1 大功率變流器的發(fā)展 第一章緒論 1 1 1 大功率變流器的拓撲發(fā)展 隨著電力電子裝置容量的增大，如大容量電機驅動、交直流輸電系統(tǒng)等，對大功率電 力電子裝置有了新的需求。而功率器件和各種新控制方法的發(fā)展，推動了大功率電力電子 裝置的拓撲結構取得了很大的進展。早期將器件串、并聯(lián)使用，但由于各器件本身的特性 不可能完全相同，導致各器件的電壓、電流不均衡，甚至造成器件損壞。隨后產(chǎn)生了多重 化變流器結構。多重化變流器結構將多個交流器單元通過變壓器在交流側進行串、并聯(lián)， 從而在輸出得到多電平。但變壓器的體積、價格和效率阻礙多重化變流器的功率等級提升。 級聯(lián)型多電平變流器應運而生，成為目前多電平研究熱點。本節(jié)按大功率電壓型變流器拓 撲構成方式分的三種基本類型：多重化結構變流器、箝位型多電平電流器和級聯(lián)型多電平 變流器分別討論各自的優(yōu)劣。 1 - 1 _ 1 - 1 多重化結構多電平變流器 ( a ) 無中線回路的并聯(lián)型變流器( b ) 串聯(lián)型變流器 圖卜1電壓型組合變流器拓撲 在電壓型變換電路中，輸出的交流電壓為矩形波”】。為了減小諧波，常常把幾個矩形 波輸出組合成近似正弦波的波形。對于l ，個三相交流電路，將其輸出波形的相位各錯開 兀( 3 l ，) 運行，連同抵消它們之間相位差的移相變壓器，可以構成脈波數(shù)為6 l 。的變流器系 統(tǒng)。輸出波形中包含6 k l ，1 ( k 為整數(shù)) 次的諧波含量。根據(jù)變壓器輸出側繞組的連接 方式可分為串聯(lián)多重化結構和并聯(lián)多重化結構如圖卜1 ，電壓型變流器的并聯(lián)多重化結構會 產(chǎn)生電壓差，進而產(chǎn)生電流環(huán)流，要特別考慮均流問題。多重化系統(tǒng)具有提供大功率輸出、 運行效率高、可改善單臺裝置輸出諧波等優(yōu)點，也存在以下不足“1 ： ( 1 ) 需要通過調節(jié)直流側電壓實現(xiàn)輸出功率的調節(jié)，系統(tǒng)動態(tài)響應差、控制不靈活； ( 2 ) 為了減小諧波，各裝置輸出需錯開一定相位，影響輸出的基波疊加造成基波損失； 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 ( 3 ) 為了達到消除次諧波的目的，必須使用特殊設計的移相變壓器。 1 1 1 2 箝位型多電平變流器 圖卜2 五電平二極管箝位型變流器圖l 一3 五電平電容箝位型變流器 箝位型變流器可分為二極管箝位型變流器如圖卜2 和電容箝位型變流器如圖l 一3 ： 一個m 電平的二極管筘位型變流器直流側由( m 1 ) 個電容串聯(lián)產(chǎn)生m 電平的相電壓，每 個電容上的電壓為l m 電源電壓。通過開關器件的不同組合使輸出電壓產(chǎn)生不同的電平8 ，。 二極管箝位型變流器同時具有多重化和脈寬調制的優(yōu)點：輸出功率大，器件開關頻率低， 等效開關頻率高，交流側不需要變壓器連接，動態(tài)響應好，傳輸帶寬較寬等。這種變流器 的不足之處在于”1 ： ( 1 ) 箝位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大。對于m 電平變流器，每相所需的二極管 數(shù)量為( m 一1 ) ( m 一2 ) ，大大提高了裝置成本，而且在線路安裝方面也造成相當?shù)睦щy，因 此在實際應用中一般限于7 電平或9 電平以下變流器； ( 2 ) 開關器件的導通負荷不一致。導通負荷不平衡導致開關器件的電流等級不同。在 電路中，如果按導通負荷最嚴重的情況設計器件的電流等級，則每相有2 ( 一2 ) 個外層器 件的電流等級過大，造成浪費； ( 3 ) 在變流器進行有功功率傳送的時候，直流側各電容的充放電時間各不相同，造成 電容電壓不平衡，增加了系統(tǒng)動態(tài)控制難度。 電容箝位型多電平變流器的電平定義與二極管箝位型相同。假定每個電容的電壓等級 與開關器件相同，那么一個m 電平變流器在直流側需要( m 一1 ) 個電容h 1 。該種拓撲變流器的 電平合成的自由度和靈活性高于二極管多電平變流器。優(yōu)點是開關方式靈活、對功率器件 保護能力較強；既能控制有功功率，又能控制無功功率，適于高壓直流輸電系統(tǒng)等。該電 路拓撲主要缺點是吲： 2 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 ( 1 ) 需要大量的存儲電容。如果所有電容器的電壓等級都與主功率器件的相同，那么 一個m 電平的電容箝位型多電平變流器每相橋臂需要( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 個輔助電容，直流側 上還需要( 一1 ) 個電容； ( 2 ) 為了使電容的充放電保持平衡，對于中間值電平需要采用不同的開關組合。增加 了系統(tǒng)控制的復雜性和器件的開關頻率并導致開關損耗增大； ( 3 ) 電容箝位型交流器也存在導通負荷不一致的問題。 1 1 1 3 級聯(lián)型多電平變流器 韶：萑蔭翻 蠲z t 噩目目 增手z 1赳逍篇 圖卜4 單相級聯(lián)型多電平( 1 ) y 型連接圖( 2 ) 型連接圖 變流器拓撲結構 圖卜5 三相級聯(lián)型多電平變流器拓撲結構 級聯(lián)型多電平變流器，采用若干個低壓變流單元直接級聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓輸出【7 】。 這種拓撲結構組成的電壓源型變頻器由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧 波變頻器。圖卜4 所示是帶有獨立直流源的單相級聯(lián)型多電平變流器。由三個單相級聯(lián)變 流器，通過y 型或型連接，可構成三相級聯(lián)變流器，如圖卜5 所示。級聯(lián)型拓撲每個獨 立直流源與一個變流器單元相連，每個變流器單元可以產(chǎn)生一個三電平輸出電壓，這樣避 免了大量箝位二極管或電容的使用；交流側的端電壓通過級聯(lián)方式疊加，形成多電平輸出 電壓。由m 個變流器單元級聯(lián)而成的多電平變流器的電平數(shù)為( 2 m + 1 ) 。級聯(lián)型多電平變流 器有以下特點m ： 剖 ( 1 ) 級聯(lián)型多電平變流器獲得同樣電平數(shù)輸出時， 使用的元器件最少，容易實現(xiàn)電平數(shù)較高的輸 出； ( 2 ) 每個變流器單元的結構相同，容易進行模塊化 設計和封裝： 圖卜6 改進級聯(lián)型多電平變流器 ( 3 ) 因為各變流器單元之間相對獨立，所以可以較 容易地引入軟開關控制； ( 4 ) 直流側的均壓比較容易實現(xiàn)； 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 ( 5 ) 各變流器單元的工作負荷一致，對于三相系統(tǒng)易于分相控制；但對于有功功率變 換場合，需要獨立直流源，從而使其應用在某些領域受到限制。 若將各獨立電壓源的電壓值分別取為e 、2 e 、4 e 2 e ，則其輸出的電平數(shù)就大幅 度地增加到2一l ，即所謂改進的級聯(lián)型多電平變流器嘲( m o d i f i e dc a s c a d em u l t 訂e v e l c o n v e r t e r ) 。圖卜6 為采用改進的兩個單元的級聯(lián)型多電平結構的g t 0 和i g b t 混合型逆變 電路，其中v 。，= 2 v 。= 2 e 。該電路的輸出電壓為7 電平。工作時g t 0 單元承受高壓，i g b t 單元承受低壓。將波形合成策略與p w m 策略相結合，可以得到一種非常適合于上述電路的 控制策略：較高電壓的g t o 單元以輸出電壓的基波頻率為切換頻率，而較低電壓的i g b t 單 元則在較高的頻率下進行p w m 控制，以此來改善輸出波形“”“”。如果令圖卜6 中的 v 。= 3 v 。，= 3 e ，則在輸出側可得到9 電平的輸出電壓。推廣到m 個單元的級聯(lián)多電平變流器， 各獨立直流源的電壓值分別為e 、3 e 、9 e 3 “e ，則輸出電平的電平數(shù)可以達到3 ”。文 獻 1 0 】中對相臨兩單元間獨立直流源的電壓值的e b 做出了分析，結論是這個電壓比的最大值 就是3 ，即v 。= 3 v 。，超越這個電壓比，將出現(xiàn)電平飛躍2 個臺階以上的情形，沒有實際的 意義?；旌闲图壜?lián)多電平變流器和具有自均壓能力的多電平變流器，結構和控制趨于復雜， 有待進一步研究。 1 1 2 多電平調制策略 伴隨著大功率拓撲的發(fā)展，開關的控制策略也隨之發(fā)展，至今廣泛應用的開關策略有以 下幾種：階梯波脈寬調制、基于載波組的p w m 技術、多電平電壓空間矢量調制、載波相移 p w m 技術等。下面結合幾種變流器的拓撲結構從變流器輸出的諧波特性、器件的開關頻率、 動態(tài)輸出特性及傳輸帶寬等方面分析各種調制方法的優(yōu)劣。 1 - 1 2 1 階梯波脈寬調制方法 圖1 7 七電平輸出電壓波形 階梯波脈寬調制是用階梯波來逼近正弦波n ”，如 圖卜7 所示級聯(lián)七電平輸出電壓波形。這種策略的優(yōu)點 是實現(xiàn)簡單、開關頻率最低( 等于基波頻率) ，因而開 關損耗最小，器件的主導損耗是通態(tài)損耗。通過調節(jié)直 流母線電壓或移相角來實現(xiàn)輸出電壓的調節(jié)，此外，還 可以通過選擇每一電平持續(xù)時間的長短，來實現(xiàn)低次諧 波的消除和抑制?？蓪⑻囟ù沃C波消除p w m 技術 s h e p w m ( s el e c t e dh a r m o n i ce 1i m i n a ti o np h m ) 弓i 入 多電平變流器，利用該算法計算出開關角度，消除選定的諧波分量?；趕 臟的階梯波脈 寬調制技術能夠直接消除系統(tǒng)中指定次數(shù)的諧波分量，效果直觀、原理清晰。隨著電平數(shù) 的增加，輸出電壓波形的諧波畸變將更小，使得逆變器輸出不接濾波裝置和變壓器而直接 接負載成為可能。 4 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 但這種調制方法缺點也很明顯“”： ( 1 )開關角方程組是一個高階非線性超越方程組。求解這個方程組需要大量的浮點 ( 2 ) ( 3 ) 1 1 2 2 數(shù)運算，即使采用優(yōu)化算法( 如n e w t o r r a p h s o n 法等) 使用d s p 等高速運算芯 片也難以達到實時控制，一般需要通過離線查表法完成控制，這顯然不能適應 一些需要快速動態(tài)響應的應用場合，如a p f 、高動態(tài)性能交流電機變頻調速( 如 矢量控制系統(tǒng)) 等領域； 消除諧波的自由度受到輸出電平數(shù)的限制。n 電平變流器能夠控制的諧波數(shù)目為 ( n 一3 ) 2 ； 由于每一級電平都采用與基波頻率相同的方波控制，因而這種調制策略下的傳 輸帶寬較窄，不適用于對信號傳輸性能要求較高的場合，如a p f 、功率音頻放大 器等?？偟恼f來，這種調制策略主要應用在一些對輸出電壓調節(jié)要求不高的時 候，如靜止無功補償器等。 基于載波組的p 刪調制技術 o e 圖卜8 五電平二極管筘位型變流器 基于載波組的p w m 技術原理簡單、實現(xiàn)方便而且普遍適用于各種多電平變流器，在目 前是比較常用的多電平變流器開關調制策略”。這種控制方式特別適用于二極管箝位型多 電平變流器( 例如圖卜8 的單相五電平二極管箝位型變流器) 。基本原理是：在n 電平變流 器中，n 1 個具有相同頻率和幅值的三角載波并排放置，形成載波組；以載波組的水平中線 作為參考零線，共同的調制波與其相交，得到相應的開關信號。根據(jù)三角載波的相位，這 種控制方式可以有三種不同的形式”，如圖卜9 示。在該控制方式下，變流器的輸出特性良 好，器件的開關頻率較低而等效開關頻率較高，輸入輸出成線性關系，能夠滿足一定的帶 寬，對于奇數(shù)電平變流器，方法b 輸出不含有載波諧波；當提高頻率調制比時候，方法c 的s p w m 輸出頻譜最干凈，至于調制波，可以采用標準正弦波，也可以采用諧波注入正弦波。 該方法也存在以下不足“6 1 ：器件的導通負荷不一致，尤其在深調制的情況下，處于變流器 5 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 外圍的功率器件幾乎不導通，而內部的功率器件開關頻率較高；在頻率調制率比較低時候， 方法a 在載波諧波處諧波幅值大，邊帶較小；對于a 、b 型方案載波利用率不高。 徽徽嬲 ( a ) a 型方案( b ) b 型方案( c ) c 型方案 圖卜9三種不同形式的基于載波組的p 刪調制方法 1 1 2 3 多電平電壓空間矢量調制策略 這是常規(guī)的二電平電壓空間矢量調制技術( s v m ) 在多電平變流器上的擴展應用“”。常規(guī) 的二電平s 、，m 技術是根據(jù)不同的開關組合方式，生成八個電壓空間矢量，其中六個非零矢 量，兩個為零矢量；在空間旋轉坐標系下，對于任意時刻的矢量由相鄰的兩個非零矢量合 成，通過在一個調制周期內對兩個非零矢量和零矢量的作用時間進行優(yōu)化安排，得到p w m 輸出波形。對于多電平s v m 技術，其基本原理與二電平s v m 技術相似，只是開關組合的方 式隨著電平數(shù)的增加而有所增加，如圖卜1 0 所示，其規(guī)律是：對于m 電平變流器，其電壓 空間矢量的數(shù)目為m 3 個，當然這些電平中有些在空間上是重合的”。比如對于三電平變流 器，如圖l 1 1 所示，其電壓空間矢量的數(shù)目為2 7 個，其中獨立的電壓空間矢量為1 9 個， 一個零矢量，1 8 個非零矢量，在空間旋轉坐標下，對于任意時刻的矢量由相鄰的三個非零 矢量合成，在一個開關調制周期內對三個非零矢量與零矢量的作用時間進行優(yōu)化安排，得 到p w m 輸出波形。 n 1 譬舭 v ：只 f 岫 l v n _ 1 o 伊 a b c 。7 對積。1 ， 。觚紛貉。 淤么。 邊r 一& 圖卜l o 三相n 電平變流器的基本結構圖 圖卜1 1 三電平變流器的基本電壓矢量圖 多電平s 技術的著眼點是基本開關矢量的數(shù)目n 9 1 ，隨著電平數(shù)的增加，基本開關矢 量的數(shù)目也就增加，使得其組合方式更加豐富，通過基本電壓空間矢量的不同組合方式， 達到消除和抑制諧波的目的。這種調制技術的不足在于：由于電平數(shù)與電壓空間矢量的 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 數(shù)目之間是立方關系，所以在電平數(shù)較高時受到很大限制，因此目前多電平s 技術的研 究一般只限于五電平以下；多電平s 下器件的開關負荷不均衡也是一個嚴重的問題，在 深調制區(qū)，必須采取新的調制策略，否則不能實現(xiàn)開關負荷均衡。 1 - 1 2 4 載波相移p 刪技術 ( a ) n 廠j u _ 八 1 。n r r r r j 下( c ) 1 1li 蓁。軍卅山卜產(chǎn)弋；麓 n 乳i 一一 ( e ) 載波相移p w m 技術是基于組合變流器提出的開關調制策略，在級聯(lián)型多電平變流器上 應用也有獨特優(yōu)勢。以載波相移s p w m 技術( c a r r i e rp h a s es h i f t e ds p w m ，簡稱為c p s s p 刪) 為例，其基本思想為“”m ”：在變流器單元數(shù)為l ，的電壓型s p 帳組合裝置中，各變流器單 元采用共同的調制波信號s ，其頻率為k 。各變流器單元的三角載波頻率為k 。，將各三角 載波的相位相互錯開三角載波周期的1 l ，如圖卜1 2 ( a ) 所示( 變流器單元數(shù)l ；= 5 ，s p 硼 頻率調制比k 。k = 3 ，幅度調制比m = o 8 ) 。圖卜1 2 ( b ) 所示的l 個波形分別為l ，個變流 器單元的輸出，上述l ，個變流器單元交流輸出疊加形成整個組合變流器裝置的輸出波形， 如圖卜1 2 ( c ) 所示。對輸出進行頻譜分析，變流器單元之一的輸出波形頻譜如圖卜1 2 ( d ) 所示，疊加后整個組合變流器輸出波形頻譜如圖卜1 2 ( e ) 。比較圖卜1 2 ( d ) 和圖卜1 2 ( e ) 可見各變流器單元輸出疊加后形成的組合變流器總輸出波形中諧波得到了有效的抑制。 ( 1 ) 相移式s 臟一p w m 技術2 3 1 ( p h a s e s h i f t e ds e l e c t e dh a m o n i ce l i m i n a t i o np 嘲) 。 這種控制方式以傳統(tǒng)的定次諧波消除法p w m 為基礎，在開關角計算中加入預置相移量，將 計算得到的不同相移量的開關角分別用于不同的變流器單元，使得疊加得到的交流側電壓、 電流達到諧波最優(yōu)。 ( 2 ) 錯時采樣s 技術( s 鋤p l et i es t a g g e r e ds v m ，下簡稱s t s s ) 。組合變流 器s t s s v m 技術的調制方法，簡而言之就是將各變流器單元的采樣時間錯開。具體地講， 在組合變流器中，n 個變流器單元在相同頻率調制比k 、幅度調制比m t 下，進行s 調制； 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 各變流器單元采樣時間依次相位差為2n ( 胖k ) 。s t s s v m 技術比較于載波相移s p w m 技術， 有電壓利用率高，開關頻率小，易于數(shù)字實現(xiàn)等特點。 總的來說，載波相移p w m 技術具有以下特點讓”：( 1 ) 各交流器單元的開關頻率低，可采 用特大功率電力電子器件g t 0 等組成大功率變流裝置，并降低器件開關損耗。( 2 ) 輸出諧波 小，可大大減小濾波器的體積、尺寸。( 3 ) 等效開關頻率高，傳輸頻帶寬，傳輸線性好，容 易引入一些優(yōu)秀的控制方法，如滯環(huán)電流控制、單周控制等。( 4 ) 各變流器單元的電路結構 完全相同，易于模塊化實現(xiàn)，開關器件的工作負荷均衡一致，特別適合于圖卜4 所示的級 聯(lián)h 橋單元化拓撲結構。與基于s 髓的階梯波脈寬調制技術相比，載波相移p 刪技術消除 和抑制諧波的能力不受輸出電平數(shù)的限制，能夠方便的實現(xiàn)實時控制，可以應用在對系統(tǒng) 有快速反應要求的場合中。s t s s v m 技術是對各橋臂分別進行調制，并不直接控制總的輸出 的電壓矢量，在對應于同一電壓矢量的不同開關狀態(tài)的選擇上完全是自動的。而在多電平 s 中這種選擇是非常復雜的。載波相移p w m 技術在調制過程中，只需保證各開關器件調制 信號本身的對稱性和均衡性，就能保證總的開關負荷的均衡性和總輸出波形的對稱性。因 而，與多電平s 技術和基于載波組的p w m 技術相比，載波相移p 刪具有開關負荷均衡、 相同等效開關頻率時輸出低次諧波成分少等優(yōu)點。 小結 由上面分析可見，在多電平眾多電路拓撲中，級聯(lián)h 橋拓撲結構簡單，直流側容易均 流，適合載波相移s p w m 、s v m 等多種優(yōu)秀的調制方法和單周控制，無差拍控制等先進的控 制方法，因而，在實際工程中有很大的應用前景。本文實現(xiàn)多電平變流器的主電路拓撲正 是選擇的級聯(lián)h 橋結構。 通過比較級聯(lián)型多電平變流器的各種開關調制方法，可以得到基于載波相移s p w m 的 調制策略有幾個突出優(yōu)點： ( 1 ) 控制算法簡單，適用于快速實時控制場合； ( 2 ) 由于采用各橋臂分別調制，因而對變流器總體輸出電壓矢量的安排是自動完成的， 只要保證各橋臂觸發(fā)波形自身的對稱性和均衡性，就可以保證變流器整體的開關 負荷的均衡，容易實現(xiàn)均壓控制； ( 3 ) 單個開關頻率低，開關損耗、e m i 小，適用于大功率慢速器件( 如g t o 等) ； ( 4 ) 易于應用優(yōu)秀的控制策略，如：滯環(huán)電流控制哺，單周控制等】。 本文工作正是基于載波相移s p w m 調制策略結合級聯(lián)h 橋拓撲進行的。 1 2 數(shù)字控制器件在電力電子中的應用 電力電子的發(fā)展離不開控制學，控制學的發(fā)展離不開控制器件。從模擬控制系統(tǒng)到數(shù) 字控制系統(tǒng)是控制學發(fā)展的一大飛躍。數(shù)字控制系統(tǒng)在抗干擾，控制的精確度，實時性， 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 實現(xiàn)算法的復雜程度都遠遠優(yōu)于模擬系統(tǒng)。本文旨在對將最新的數(shù)字控制器件構成系統(tǒng)應 用于電力電子裝置做初步探索。 1 2 1 微處理芯片的發(fā)展 微控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為四個階段例： 第一階段：單芯片微機形成階段 1 9 7 6 年，i n t e l 公司推出了m c s4 8 系列單片機。8 位c p u 、1 k 字節(jié)r 叫、6 4 字節(jié)r a m 、 2 7 根i o 線和1 個8 位定時計數(shù)器。存儲器容量較小，尋址范圍小( 不大于4 k ) ，無串行 接口，指令系統(tǒng)功能不強。 第二階段：性能完善提高階段 1 9 8 0 年，i n t e l 公司推出了m c s 一5 1 系列單片機：8 位c p u 、4 k 字節(jié)r o m 、1 2 8 字節(jié)r a i 、 4 個8 位并口、1 個全雙工串行口、2 個1 6 位定時計數(shù)器。尋址范圍6 4 k ，并有控制功能 較強的布爾處理器。該芯片結構體系完善，性能已大大提高，面向控制的特點進一步突出。 第三階段：微控制器階段 1 9 8 2 年，i n t e l 推出m c s9 6 系列單片機。芯片內集成1 6 位c p u 、8 k 字節(jié)r o m 、2 3 2 字 節(jié)r a m 、5 個8 位并口、1 個全雙工串行口、2 個1 6 位定時計數(shù)器。尋址范圍6 4 k 。片上還 有8 路1 0 位a d c 、1 路p w m 輸出及高速i 0 部件等。片內面向測控系統(tǒng)外圍電路增強，使 單片機可以方便靈活地用于復雜的自動測控系統(tǒng)及設備。 第四階段：專用微控制芯片d s p 階段 1 9 8 2 年，美國德州器( t i ) 公司推出世界第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 l o 。隨后，a d 公司、 m o t o r 0 1 a 公司也相繼推出各自的d s p 芯片。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，d s p 器件在高速度、可編 程、小型化、低功耗等方面都有了長足的發(fā)展，單片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 億次 ( 1 6 0 0 m i p s ，每秒1 6 0 0 兆次指令) 的運算。由電子行業(yè)著名的摩爾定律，d s p 器件在性能 不斷提高的同時價格也不斷下降，這些年來約每1 8 個月性能提高一倍，而價格下降一半。 d s p 器件應用面從起初的局限于軍工，航空航天等領域，擴展到今天的諸多電子行業(yè)及消費 類電子產(chǎn)品中。 d s p 器件的生命力主要取決于它在體系結構上不同于其他單片機的特點n w ” ： ( 1 ) 多總線結構：普通m c u 基于馮諾伊曼結構，只具有單一總線，s r 朧或d r a m 都 映射到同一地址空間，總線寬度與c p u 類匹配，取指令和取數(shù)據(jù)都通過一條總線完成。因 此必須分時進行，在高速運算時，往往在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應。d s p 內部一般采用的 是哈佛( h a r v a r d ) 體系結構，它在片內至少有多套總線，可允許同時獲取指令字( 來自程 序存貯器) 和操作數(shù)( 來自數(shù)據(jù)存貯器) ，而互不干擾，為流水線設計提供了硬件基礎。 ( 2 ) 多處理單元：d s p 內部一般都集成多個處理單元，如硬件乘法器( f u l ) 、累加 器( a c c ) 、算術邏輯單元( a l u ) 、輔助算術單元( a r a u ) 以及d 姒控制器等。它們都可以 在一個指令周期內執(zhí)行完計算任務，這種運算往往是同時完成的，因而d s p 可以單周期完 9 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 成連續(xù)的乘加運算這種結構特別適用于濾波器的設計，如i i r 和f i r 。d s p 的這種多處理單 元結構還表現(xiàn)在將一些特殊算法作成硬件以提高速度，典型的有f f t 的位反轉尋址，語音 的a 律、u 律算法等。 ( 3 )流水線結構：要執(zhí)行一條指令，要完成取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行四個階 段。流水線結構使得d s p 在這幾個階段執(zhí)行過程中是重疊的，這樣可以將指令周期的時間 降低到最小值。正是利用這種流水線機制，保證d s p 可以在單周期內能夠完成乘法和加法 運算。也正是這種結構，決定了d s p 的指令基本上都是單周期指令。 ( 4 )加載引導( b 0 0 t1 0 a d e r ) 工作方式：對高速d s p 來講，將存放在慢速非易失性 存儲器中的程序加載到高速靜態(tài)r a m 中運行的工作方式是制造商必須提供的一種資源。 ( 5 ) j t a g 接口：隨著d s p 芯片速度的提高，傳統(tǒng)的并行仿真方式已越來越顯得困難。 1 9 9 1 年i e e e l l 4 9 1 ( 即j t a g 接口) 標準的公布十萬門以上的i c 一般都集成j t a g 接口， 滿足了i c 制造商的措施需求，1 9 9 3 年i 髓e 1 1 4 9 5 對j t a g 接口標準作了修正，為5 線接 口。j t a g 接口為用戶對d s p 的仿真提供了便捷的串行工作方式。 正是由于d s p 在硬件上對運算做了優(yōu)化，使得在實時控制要求較高的場合d s p 能夠脫 穎而出，擔當重任。從應用角度看：d s p 器件是運算密集型的，而單片機是事務密集型的， d s p 器件可以取代單片機，單片機卻不能取代d s p 。 隨著不斷有先進的控制技術應用于實際系統(tǒng)，如矢量控制，神經(jīng)網(wǎng)絡，遺傳算法等控 制方法均要求處理器有大量的數(shù)據(jù)運算能力，而對控制系統(tǒng)的實時性要求卻日益增加；此 外，用戶對電力電子系統(tǒng)的體積、功耗、穩(wěn)定性等也有較嚴格的要求。因而，d s p 取代單片 機在電力電子控制系統(tǒng)中的廣泛應用成為必然。事實上，在電機控制方醞，國外眾多的微 控制器生產(chǎn)廠家推出了多種專門應用于電機控制的單片機和d s p 芯片，如8 x c l 9 6 m c 、 a d m c 3 3 1 和t m s 3 2 0 f 2 4 x ，只需用一片這樣的芯片就可以實現(xiàn)p w m 波形輸出、電流調節(jié)和速 度調節(jié)，這是因為這些芯片與通用的微控制器相比在設計時已充分考慮到其在電力電子系 統(tǒng)應用中所需要的各種功能，如6 路p w m 輸出、死區(qū)實現(xiàn)和互鎖、光碼盤計數(shù)等，因而在 外圍嵌入了一些電機控制的專門電路，節(jié)省了c p u 的內務操作時間”。 1 2 2 本課題所用d s p 系統(tǒng)介紹 t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列的d s p 芯片已經(jīng)廣泛的應用于數(shù)字電機控制( d m c ) 、工業(yè)自動化( i a ) 、 不間斷電源( u p s ) 等電力電子的控制領域中。f 2 4 x 專為數(shù)字電機控制應用而設計，該芯片 構成的系統(tǒng)結構框圖如圖卜1 3 ： f 2 4 0 x 將高性能的d s p 內核和豐富的微控制器外設功能集于單片之中。d s p 內核為1 6 位字長定點格式，采用外部1 0 肘 z 晶振時通過內部可編程p l l 選擇最高執(zhí)行速度達4 0 m i p s ， 芯片采用四級流水線工作，如此高的性能可以對非常復雜的控制算法進行實時運算。f 2 4 0 7 芯片跟本設計有關的主要特點有”】： 】0 浙江大學碩士學位論文 第一蘋緒論 d s p 2 4 0 7 l 導 圖l 1 3實驗評估板框圖 ( 1 ) 采用高性能靜態(tài)c m o s 技術，使得供電電壓降為3 3 v ，減小了控制器的功耗，4 0 m i p s 的指令執(zhí)行速度和流水線工作模式使幾乎所有的指令都可在2 5 n s 的單周期內完成，這對于 a p f 這樣對實時性要求較高的應用提供了方便； ( 2 ) 兩個事件管理器模塊e v a 和e v b ，每個包括： 兩個1 6 位通用定時器； 3 個具有死區(qū)功能的全比較單元； 3 個單比較單元； 3 個捕獲單元，其中兩個具有直接連接正交編碼器脈沖的能力； 1 6 通道1 0 位a d 轉換器，最小轉換時間5 0 0 n s ，可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)的 兩個8 通道輸入a d 轉換器或一個1 6 通道輸入的a d 轉換器； 8 個1 6 位脈寬調制( p w m ) 通道，同時可以對兩個三相變流器控制；p w m 的對稱和非對 稱波形發(fā)生；可編程的p w m 死區(qū)控制以防止上下橋臂直通；4 1 個可單獨編程或多路復 用的通用i 0 引腳； ( 3 ) 5 個外部中斷( 電機驅動保護，復位和兩個可屏蔽中斷) 。 本實驗系統(tǒng)的數(shù)字控制電路直接采用合眾達公司提供的2 4 0 7 l f 評估板，如圖卜1 3 所示 板上資源包括：t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，1 2 8 k 字的外擴s r a m ，4 通道1 2 一b i t 的d a 轉換模塊， r s 一2 3 2 異步串口，j t a g 仿真接口等。 1 2 3 可編程邏輯器件介紹 在數(shù)字控制系統(tǒng)中，高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的 浙江大學碩士學位論文 第一章緒論 控制結構復雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的d s p 芯片來實現(xiàn)；低 層的信號預處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運算有較多的邏輯結構， 算法相對簡單，適于用可編程邏輯器件進行硬件實現(xiàn)。因而，在數(shù)字控制系統(tǒng)中d s p 與可 編程邏輯器件的結合成為趨勢。d s p 與可編程邏輯器件結合最大的特點是結構靈活，有較強 的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維 護和擴展。使得在實時控制中，d s p 與可編程邏輯器件系統(tǒng)能同時兼顧速度及靈活性。可編 程邏輯器件的發(fā)展也可以分為四個階段”1 ： 第一階段：1 9 7 0 年出現(xiàn)了p r o m ，它由全譯碼的與陣列和可編程的或陣列組成。由于陣 列規(guī)模大、速度低，因此它的主要用途是作為存儲器； 第二階段：2 0 世紀7 0 年代中期出現(xiàn)了可編程邏輯陣列( p l a p r o g r 鋤曲1 el o g i c a r r a y ) 器件，它由可編程的與陣列和可編程的或陣列組成，雖然其陣列規(guī)模大大減少，提 高了芯片的利用率，但由于編程復雜，開發(fā)支持p l a 的軟件有一定難度，因而也沒有得到 廣泛的應用。2 0 世紀7 0 年代末美國刪i 公司率先推出了可編程陣列器件p a l ( p r o g r a 衄a b l e a r r a yl o g i c ) ，它由可編程的與陣列和固定的或陣列組成，采用熔絲編程方式，雙極性工 藝制造，器件的工作速度很高。由于它結構種類多，設計靈活，因而首先得到普遍應用； 第三階段：2 0 世紀8 0 年代初l a t t i c e 公司發(fā)明了通用陣列邏輯( g a l g e n e r i ca r r a y l o g i c ) 器件，它在p a l 的基礎上進一步改進，采用了輸出邏輯宏單元( 0 l m c ) 的形式和 e 2 c m d s 的工藝結構，因而具有可擦除、可重復編程、數(shù)據(jù)可長期保存和可重新組合結構 等優(yōu)點。g a l 比p a l 使用更加靈活，它可以取代大部分的s s i 、m s i 和p a l 器件，所以在2 0 世紀8 0 年代得到了廣泛應用。p a l 和g a l 都屬于低密度p l d ，其結構簡單，設計靈活，但 規(guī)模小，難以實現(xiàn)復雜的邏輯功能。2 0 世紀8 0 年代末，隨著集成電路工藝水平的不斷提高， p l d 突破了傳統(tǒng)的單一結構，向著高密度、高速度、低功耗以及結構體系更靈活、使用范圍 更寬的方向發(fā)展，因而相繼出現(xiàn)了各種不同結構的高密度p l d 。 第四階段：1 9 8 5 年x i l i n x 公司首家推出了現(xiàn)場可編程邏輯器件( f p g a f i e l d p r o g r a 衄a b l eg a t ea r r a y ) ，它是一種新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工藝制作，其結 構和陣列型p l d 不同，內部由許多獨立的可編程邏輯模塊組成，邏輯塊之間可以靈活地相 互連接，具有密度高、編程速度快、設計靈活和可再配置等許多優(yōu)點。2 0 世紀9 0 年代，a l t e r a 公司推出新的p l d 型號e p m 9 5 6 0 稱之為復雜可編程邏輯器件c p l d ( c 伽p l e xp r o g r 姍a b l e l o g i ca r r a y ) ，其單密度達到了1 2 0 0 0 個可用門，包含多達5 0 個宏單元，2 1 6 個i o 引腳， 并能提供1 5 n s 的腳間延時，1 6 位技術的最高工作頻率為1 1 8 心z 。c p l d 的集成度最多可達 到數(shù)百萬等效門，最高工作速度己達1 8 0 z 。在系統(tǒng)可編程技術、邊界掃描技術的出現(xiàn)也 使器件在編程技術和測試技術及系統(tǒng)可重構技術方面有了很快的發(fā)展邯1 。 目前世界各著名半導體公司，如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 和a m da t m e l 等公司，均 提供不同類型的c p l d 、e p l d 產(chǎn)品，眾