第４９卷第６期 ２０１５年６月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４９。Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１５ 基于ＦＰＧＡ的三电平ＳＶＰＷＭ控制算法实现 胡朝燕，张康瑞，苗 亚，张 平 （国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京２１００６１） 摘要：设计了Ｐｏｗｅｒ ＰＣ＋现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）共同控制的三电平变流器空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）平 台，将部分算法放入ＦＰＧＡ内完成，减少了Ｐｏｗｅｒ ＰＣ的计算量，有利于Ｐｏｗｅｒ ＰＣ的功能扩展和复杂算法实现。 除常规的死区控制和最小脉宽控制外，将安全封脉冲控制方法引入，使系统在故障或封脉冲指令时更安全可 靠，避免了开关切换时的桥臂直通、功率开关动作时间不足和单个功率开关承受全部母线电压等问题。在２．５ ＭＶＡ 水冷中压风电变流器系统中验证了该控制方法的有效性和可靠性。 关键词：变流器；空间矢量脉宽调制；现场可编程门阵列 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ｔｏｏｘ（２ｏ１５）０６—００２３—０３ Ｔｈｒｅｅ．１ｅｖｅｌ ＳＶＰＷＭ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＨＵ Ｃｈａｏ—ｙａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｋａｎｇ－ｒｕｉ，ＭＩＡＯ Ｙａ，ＺＨＡＮＧ Ｐｉｎｇ （ＮＡＲＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂａｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ ＰＣ＋ｆｉｒｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅｄ ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）ＣＯ—ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｐｌａｆｔｏｒｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰＷＭ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ’ｖｉｔｌｌ ＦＰＧＡ．ＳＯ ｃｏｍｐ－ ｕｔａｔｉｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ＰＣ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｆ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｕｓｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ ＰＣ ｃａｎ ｂｅ ｏｂ— ｔａｉｎｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｄｅａｄ—ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｓｅａｌ ｐｕｌｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｂｅ ｍｏｒｅ ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙ ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｆｔａｕｌｔ ｏｒ ｃｌｏｓｕｒｅ ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｍａｎｄ， ａｖｏｉｄｉｎｇ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｎ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｗｈｅｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ｌａｃｋ ｏｆ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ ｓｗｉｔｃｈ ｔｏ ｗｉｔｈｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｓｓｕｅｓ． ｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｈａｂｉｌｉｙ ｏｆ ｔｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｂｙ ２．５ ＭＶＡ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｌｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅｄ ａｒｒａｙ １ 引 言 三电平变流器输出电能质量更高、谐波含量 和开关损耗更低、电磁兼容性更好，在中高压大容 量变流器领域应用广泛【１］。ＳｖＰＷＭ算法具有输出 电流谐波含量小、易数字化等特点，在高性能系统 中应用广泛，但其控制算法复杂［２１，对控制资源消 耗大，了控制系统的拓展。而ＦＰＧＡ数据处理 中实现．而后半部分基本矢量作用顺序、驱动脉冲 分配和保护、死区补偿、最小脉宽、安全封脉 冲等功能利用ＦＰＧＡ中ＶＨＤＬ语言并行执行快速 实现。解决了Ｐｏｗｅｒ ＰＣ控制资源不足及安全可靠 封脉冲问题．在２．５ ＭＶＡ水冷中压风电变流器系 统中验证了该平台的可行、可靠性。 ２ 三电平ＳＶＰＷＭ算法 图１为中点箝位型三电平变换器主回路结构。 速度快且可并行处理，弥补了该算法的，通过 将ＦＰＧＡ与Ｐｏｗｅｒ ＰＣ结合。有效节约了Ｐｏｗｅｒ ＰＣ 实时控制时间。增加了系统可拓展性。 将传统两电平ＳＶＰＷＭ算法直接用于高压大 功率三电平ＳＶＰＷＭ算法【 。在某些情况下会破坏 三电平变流器优点，甚至可能损坏功率元件。此处 研究中点箝位式三电平变流器ＳＶＰＷＭ算法．构建 基于Ｐｏｗｅｒ ＰＣ＋ＦＰＧＡ的三电平ＳＶＰＷＭ控制平台， 将算法中乘除算法集中的前半部分放在Ｐｏｗｅｒ ＰＣ 图１三电平变流器主回路结构 Ｆｉｇ．１ Ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ 定稿日期：２０１４—０８—０８ 以第一桥臂为例，当Ｖ 。和Ｖ 同时导通时， 输出相电压ｕ．＝Ｅａｌ２，对应开关状态为Ｐ；当Ｖ正和 Ｖａ３同时导通时， ＝０，对应开关状态为０；当Ｖ ２３ 作者简介：胡朝燕（１９８４一），女，安徽舍肥人，硕士，工程 师，研究方向为新能源发电。 第４９卷第６期 ２０１５年６月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１５ 和Ｖ 同时导通时，Ｕａ＝一Ｅｄ／２，对应开关状态为Ｎ。 可见。利用上桥臂两管即可表示３种状态，下桥臂 两管分别与上管互补。即状态Ｐ，０，Ｎ分别对应的 开关函数为：Ｓａ１＝１， ＝１；ｓａ】＝０， ＝１；５ｌｄ＝０， ＝０。 ２．１扇区确定 图２示出电压空间矢量图及扇区Ｉ中矢量合 成图。参考矢量Ｕ耐与大扇区关系如表１所示，其 中 ， 分别为 耐在 ， 轴上的分量。根据‰， 计算出 村的模，同时将相角归一化处理，即其 他５个扇区归一到扇区Ｉ。 ： ￣ｘ／ｇＳ＋＠， ＝０－（Ⅳ一１）￣ｒ／３ （１） 式中：Ⅳ为大扇区号；０为任意扇区相角；０ 为归一化后的相角。 ＮＰＮ儿 ＩＩ ＮＮＮ Ｉ ：一 （ａ）电压空间矢量图 （ｂ）扇区Ｉ中参考矢量合成 图２ 电压空间矢量图及扇区Ｉ中矢量合成图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｖｅｃｔｏｒｓ ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔ ｉｎ ｓｅｃｔｏｒ Ｉ 表１ 与大扇区关系表 Ｔａｂｌｅ １ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ａｎｄ ｂｉｇ ｓｅｃｔｏｒｓ 扇区 条件 Ｉ ｕａ＞０，ｘ／３ ｕ．－ｕａ＞Ｏ Ⅱ ＞０，ｘ／３ ｕ￣＋ｕａ＞０且ｘ／３‰一 ＜０ Ⅲ ｕａ＞Ｏ，ｘ／３ ｕ．＋ｕａ＜Ｏ Ⅳ ｕａ＜Ｏ，ｘ／３／Ｚａ－－ｕａ＜Ｏ Ｖ ＜０，ｘ／３‰＋ ＜０且、／３ Ｕａ－ｕａ＞０ Ⅵ ｕａ＜Ｏ，ｘ／３ ＋ｕａ＞Ｏ 扇区Ｉ内参考电压三角工作区域４个判断条 件：①若Ｕ￣ｓｉｎ０＞、／了Ｅｄ６，则 位于工作区域 ４；②若 ｉｎ（耵／３—０）＞Ｖ－３ Ｅｄ／６，则 位于工作 区域３；③若 ｉｎ（１Ｔ，３＋ ）＜、／了 ｄ／６，则 位于 工作区域１；④其他情况则 位于工作区域２。 ２．２各合成电压矢量的作用时间 参考电压矢量由临近的３个电压矢量合成． 其作用时间分别为 ， ， 。以扇区Ｉ为例，表２ 给出各电压矢量的作用时间。其中， 为一个开关 周期，ｍ为调制深度，ｍ＝、／３ 。由于电压空 间矢量图的对称性，采用相角归一化后，其他５个 扇区内各矢量的作用时间与扇区Ｉ相同。将基本 矢量作用时间和大小扇区号经过双口ＲＡＭ传输 给ＦＰＧＡ，至此Ｐｏｗｅｒ ＰＣ部分程序结束。算法其余 部分由ＦＰＧＡ完成。 表２扇区Ｉ各电压矢量作用时间 Ｔａｂｌｅ ２ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒｓ ｉｎ ｓｅｃｔｏｒ Ｉ ｙ＝ｍｓｉｎ（￣ｒ／３一 ）；ｚ＝ｍｓｉｎ（＇ｒｒｌ３＋Ｏ ）。 ２．３各合成电压矢量的作用顺序 采用七段式开关顺序。则扇区Ｉ中各工作区 域输出电压矢量顺序如表３所示。以扇区Ｉ工作 区域４为例，开关矢量ＰＷＭ波形如图３所示。ａ相 相电压在Ｏ，Ｐ两个状态切换，ｂ相相电压在Ｏ，Ｐ 两个状态切换，Ｃ相相电压在Ｎ，Ｏ两个状态切换。 表３各电压矢量作用顺序 Ｔａｂｌｅ ３ Ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒｓ 相广■■■１ 相 厂■＿］Ｌ 啪 图３ 开共矢骨ＰＷＭ沽形 Ｆｉｇ．３ ＰＷＭ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒｓ ２．４三相电压作用时间 由图３可见，ａ相高电平时间为 ／２＋瓦＋ ， ｂ相高电平时间为Ｔｏｌ２＋Ｔ．，Ｃ相高电平时间为 ， ２。扇区Ｉ内三相高电平时间如表４所示， ， ， 分别为三相高电平时间，其他扇区可类推。 表４扇区Ｉ三相高电平时间 Ｔａｂｌｅ ４ Ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ｓｅｃｔｏｒ Ｉ ＦＰＧＡ内根据大小扇区号计算各相高电平时 间，将三相高电平时间与载波（由计数器生成）比 较即可获得各桥臂开关状态。例如：在扇区Ｉ工作 区域１时，当 小于载波时，输出Ｏ状态，即Ｓ ＝ ０， ＝１，当 大于载波时，输出Ｐ状态，即Ｓａｌ＝ １，Ｊｓ ＝１；当 小于载波时，输出Ｎ状态，｜ｓ ＝０， 基于ＦＰＧＡ的三电平ＳＶＰＷＭ控制算法实现 Ｓ ＝Ｏ，当 大子载波时，输出０状态，即Ｓｂ。＝０， ＝１；当 小于载波时，输出Ｎ状态，｜ｓ。 ＝０， ＝ ０，当 大于载波时，输出０状态，即ｓｃ ＝Ｏ，．ｓｃ２＝１。 ３脉冲处理方法 传统两电平变流器中，当故障或封脉冲命令 发生时，可直接封锁脉冲。但由于三电平变流器的 特点，直接封锁脉冲可能出现单个器件承受全部 母线电压的现象，不利于开关器件和整个变流器 的安全、可靠运行，需采用其他方法解决此问题。 图４为电平脉冲处理流程图。故障或封脉冲 命令发生时。在正常脉冲后插入过渡脉冲以实现安 全封脉冲。具体方法：故障或封脉冲指令发生时，三 相当前脉冲状态执行ＡＴ＝Ａ 后，均切换至０状 态，在０状态下执行ＡＴ＝ＡＴｆ￣后，封锁所有脉冲。 图４三电平脉冲处理流程图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ ｐｕｌｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗｃｈａ￣ ４最小脉宽控制与死区控制 功率器件导通和关断均需时间．故每种开关状 态均有最小时间，当脉冲宽度小于最小脉宽时 将其宽度扩展至最小脉宽宽度以保证单个功率器 件动作时间不至于过短或根本未动作。图５为最小 脉宽及死区控制示意图。由图５ａ可知。开关 管开通或关断时间大于△ 时，脉冲不做处理直 接进入下一步，否则将脉宽扩展至ＡＴ，△ 在正常、 故障状态下分别设置。为防止桥臂直通，造成开关 器件损坏．在同一桥臂互补的两个功率开关中加 入死区控制。图５ｂ为ａ相１，３管死区控制示意 图，死区时间ｔ 根据功率开关器件开通和关断时 间和所选用吸收电路稳定过程时间常数来确定。 岛。ｎ ０几ｒ］ ｝－－ 『＿］几『．１ ｒ］ ｔｄ ｔｄ ｆ １△ｆ Ｕ Ｕ （ａ）最小脉宽示意图 （ｂ）死区控制示意图 图５最小脉宽及死区控制 Ｆｉｇ．５ Ｍｉｎｉｍｕｍ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｄｅａｄ ｂａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ５ 实 验 实验参数：三相交流输入电压（３．３＋１０％）ｋｖ， 额定直流电压５ ｋＶ，额定容量２．５ ＭＶＡ，额定电流 ４３８ Ａ，相电压有效值１ ９０５ Ｖ，开关频率１ ｋＨｚ。冷 却方式为水冷。图６ａ为安全封脉冲波形，Ｕ为脉 冲使能信号。可见，封脉冲指令当前状态为Ｎ，将 Ｎ状态保持△ 时间后，切换至Ｏ状态且保持 △ 时间后封脉冲；图６ｂ为死区控制波形；图６ｃ。 ｄ为２．５ ＭＶＡ水冷系统低压大电流条件下实验波 形。可见，构建的基于Ｐｏｗｅｒ ＰＣ＋ＦＰＧＡ平台能很 好地完成三电平的ＳＶＰＷＭ控制，直流电压平稳． 电流正弦度高。安全封脉冲及死区、最小脉冲控制 不影响系统控制性能，并可增加系统可靠性。 ｔ／（ｓｏ ，格）ｔ／（２００ ａｓ／格） （ａ）安全封脉冲 （ｂ）局部放大死区 ｕｉｉｎｅ ／ ／、＼ ｔ／（４０ ｍｓ／格）ｔ／（４ ｍｓ／格） （ｃ）低压大电流下全局 （ｄ）低压大电流下局部放大 图６实验波形 Ｆｉｇ．６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ６ 结 论 构建了基于Ｐｏｗｅｒ ＰＣ＋ＦＰＧＡ的控制平台，利 用Ｐｏｗｅｒ ＰＣ高速的乘除指令完成ＳＶＰＷＭ算法中 的扇区判断和时间计算．ＦＰＧＡ完成算法的其余部 分．并实现安全封脉冲、死区控制、最小脉宽控制。 在２．５ ＭＷ水冷中压风电变流器系统中成功应用 该控制平台．由控制波形可见。该控制平台可稳定 可靠地实现三电平ＳＶＰＷＭ控制算法．输出正弦 度高的电流信号。 参考文献 ［１］宋文胜，冯晓云，侯黎明，等．电力牵引传动系统的三 电平直接转矩控制算法的半实物实验研究［Ｊ］．电工技 术学报，２０１２，２７（２）：１６５—１７２． 【２］宋文祥，陈国呈，束满堂，等．中点箝位式三电平逆变 器空间矢量调制及其中点控制研究［Ｊ］．中国电机工程 学报，２００６，２６（３）：１０５—１０９． ［３］张勤进，刘彦呈，王川．ＮＰＣ光伏并网逆变器共模电流 抑制方法研究［Ｊ】．电机与控制学报，２０１３，１７（８）：１５—２１． ２５
