一种SVPWM调制的交错并联系统及交错并联控制方法

摘要

本发明公开了一种SVPWM调制的交错并联系统及交错并联控制方法，所述交错并联系统包括第一功率模块和第二功率模块，第一功率模块和第二功率模块均采用两电平三相全控桥拓扑结构，所述交错并联控制方法包括启动程序和中断程序，启动程序包括交错并联系统上电、初始化寄存器、设置定时器连续增减模式、判断程序执行的功率模块、查询功率模块是否基准同步和使能定时器中断，中断程序包括调制波计算和输入、3/2坐标变换、扇区判断、相邻矢量作用时间计算和比较寄存器对应装载；本发明的优势之处在于将交错并联的思想移植到SVPWM调制算法中，提高了并联系统的直流电压利用率，改善了并联系统的输出波形质量。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，特别是一种SVPWM调制的交错并联系统及交错并联控制方法。

背景技术

低压静态无功发生器（SVG，Static Var Generator）与有源电力滤波器(APF，Active Power Filter) 在许多低压大功率的应用场合，常采用模块化设计，用相同或不同容量规格的功率模块并联构成大功率系统运行，同时模块化的设计能快速丰富产品的系列，便于产品的后期维护与更换。SVPWM调制技术相较于SPWM调制有着更好的直流电压利用率，便于数字化实现等优点。当前，模块化并联系统，控制上通常采用两种方案：一种是集中式控制，即多个功率模块采用同一个控制器。该方案导致控制板设计非常复杂，由于并联功率模块的数量不定，又导致需要开发多个版本的集中式控制板；另一种是分布式控制，即每个功率模块采用一个独立的控制器，控制板设计相较集中式大为简化，功率模块的切入与退出对其他功率模块的影响较小，这更加适用于模块化的初衷。

采用模块化分布式控制的系统，若简单的将两个功率模块并联在一起，不能充分发挥模块化的优点，由于系统输出的电流是两个功率模块输出电流的叠加，而功率模块输出电流的波形质量与功率模块的PWM调制频率直接相关。常用的PWM控制是利用冲量相等原理，最终保障的是一个开关周期的平均电压，因此，可考虑将两个功率模块的PWM调制互差180度，从而使一个开关周期输出的平均电流更加准确，间接的提高了并联模块的开关频率。

传统交错调制，通常采用SPWM调制，调制时，将两个功率模块的载波移相180度，虽然也能使两功率模块输出PWM调制互差180度，但SPWM存在直流电压利用率低的缺点。

发明内容

针对以上缺点，本发明提供了一种适用于两个模块化三相全控桥的SVPWM调制的交错并联系统及交错并联控制方法，通过对两个三相全桥的SVPWM调制交错控制，实现模块化三相全控桥并联时，更高波形质量的输出。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种SVPWM调制的交错并联系统，包括一个交错并联系统，所述交错并联系统包括第一功率模块和第二功率模块，所述第一功率模块和第二功率模块均采用两电平三相全控桥拓扑结构，第一功率模块包括第一桥臂（A相）、第二桥臂（B相）、第三桥臂（C相）和第一控制器，第二功率模块包括第四桥臂（A相）、第五桥臂（B相）、第六桥臂（C相）和第二控制器，所述第一功率模块和第二功率模块的交流侧A相、B相和C相并联接入三相电网，所述第一功率模块和第二功率模块的直流侧相互独立，所述第一桥臂包括第一桥臂上管和第一桥臂下管，所述第二桥臂包括第二桥臂上管和第二桥臂下管，所述第三桥臂包括第三桥臂上管和第三桥臂下管，所述第四桥臂包括第四桥臂上管和第四桥臂下管，所述第五桥臂包括第五桥臂上管和第五桥臂下管，所述第六桥臂包括第六桥臂上管和第六桥臂下管；所述第一控制器与第二控制器采用直接通讯方式实现时间基准的同步，所述第一控制器和第二控制器分别输出第一PWM脉冲、第二PWM脉冲、第三PWM脉冲、第四PWM脉冲、第五PWM脉冲和第六PWM脉冲；所述第一PWM脉冲控制第一桥臂和第四桥臂上管，所述第二PWM脉冲控制第一桥臂和第四桥臂下管，所述第三PWM脉冲控制第二桥臂和第五桥臂上管，所述第四PWM脉冲控制第二桥臂和第五桥臂下管，所述第五PWM脉冲控制第三桥臂和第六桥臂上管，所述第六PWM脉冲控制第三桥臂和第六桥臂下管；所述第一WM脉冲和第二PWM脉冲共用第一比较寄存器CMPA，所述第三PWM脉冲和第四PWM脉冲共用第二比较寄存器CMPB，所述第五PWM脉冲和第六PWM脉冲共用第三比较寄存器CMPC。

所述第一功率模块和第二功率模块的每个桥臂均可输出两种状态，当第一功率模块中第一桥臂（A相）上管开通时，该相输出为1状态，当第一桥臂（A相）下管(10)开通时，该相输出为0状态，由此A相、B相和C相三相的状态组合后，可得8个矢量，分别是(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(0,1,1)、(1,0,1)、(1,1,0)、(0,0,0)、(1,1,1)；其中第一功率模块的(1,0,0)矢量，表示第一功率模块的第一桥臂（A相）上管开通，第二桥臂（B相）下管开通，第三桥臂（C相）下管开通，矢量(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)之间空间互差120度，矢量(0,1,1)为(1,0,0)的反方向，两矢量互差180度，(0,1,0)为(1,0,1)的反方向，两矢量互差180度，(0,0,1)为(1,1,0)的反方向，两矢量互差180度，(0,0,0)、(1,1,1)矢量在中心点为零矢量。

一种SVPWM调制的交错并联系统进行交错并联控制方法的步骤是：

（a）第一功率模块和第二功率模块执行相同的启动过程，所述启动过程包括交错并联系统上电、初始化寄存器、设置定时器连续增减模式、判断程序执行的功率模块、查询功率模块是否基准同步和使能定时器中断；

（b）进入定时器中断后，根据系统实现功能的不同，通过计算得到最终所要调制的三相调制波信号、、，将该信号通过3/2矩阵变换，得到两相静止坐标系下的两个量与以及所需合成的矢量V_σ，变换矩阵如式（1）所示；

(1)

（c）计算矢量V_σ所在扇区，所述扇区计算方法为：若>，则O=1，否则O=0，若，则P=1，否则P=0，若，则Q=1，否则Q=0，设定区间N=O+2P+4Q，根据N值确定矢量V_σ所在的扇区，所述扇区分为第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区和第六扇区；

（d）采用伏秒平衡原理，用矢量V_σ所在的扇区的相邻两个矢量合成该矢量,计算两相邻矢量的作用时间，为了计算方便，定义X，Y，Z三个通用值，如式(2)所示,式中T_s为开关周期，U_dc为功率模块的直流侧母线电压；

(2)

(e)根据相邻两个矢量在不同扇区的作用时间，分别计算T₁、T₂、T₀，T1和T2为不同扇区下所对应的矢量的作用时间，所述T₀为为零矢量作用时间，其计算方法如式（3）所示：

(3)

（f）根据T₁、T₂、T₀计算第一比较寄存器CMPA中的值CMP1、第二比较寄存器CMPB中的值CMP2和第三比较寄存器CMPC中的值CMP3，其计算方法如式(4)所示：

(4)

（g）根据第一功率模块和第二功率模块选择不同的PWM脉冲生成方法，若是第一功率模块，则设定比较匹配PWM高电平有效，即定时器增计数与比较器发生比较匹配时，所述第一功率模块中第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂上管PWM脉冲输出由低电平翻转为高电平，定时器减计数与比较器发生比较匹配时，所述第一功率模块中第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂上管PWM脉冲输出由高电平翻转为低电平，若是第二功率模块，则设定比较匹配PWM低电平有效，即定时器增计数与比较器发生比较匹配时，所述第二功率模块中第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂上管PWM脉冲输出由高电平翻转为低电平，定时器减计数与比较器发生比较匹配时，所述第二功率模块中第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂上管PWM脉冲输出由低电平翻转为高电平；

（h）根据不同的扇区，在第一功率模块和第二功率模块的比较寄存器中装载不同的值，对于第一功率模块，若第一功率模块合成矢量V_σ在第一扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP3；若第一功率模块合成矢量V_σ在第二扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第一功率模块合成矢量V_σ在第三扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP3，若第一功率模块合成矢量V_σ在第四扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第一功率模块合成矢量V_σ在第五扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第一功率模块合成矢量V_σ在第六扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP1；对于第二功率模块，若第二功率模块合成矢量V_σ在第一扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第二功率模块合成矢量V_σ在第二扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第二功率模块合成矢量V_σ在第三扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第二功率模块合成矢量V_σ在第四扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP3，若第二功率模块合成矢量V_σ在第五扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第二功率模块合成矢量V_σ在第六扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP1，三比较寄存器CMPC=CMP3。

进一步的，所述第一扇区中T₁为矢量(1,1,0)作用的时间，T₂为矢量(0,1,0)的作用时间，所述第二扇区中T₁为矢量(1,0,1)作用的时间，T₂为矢量(1,0,0)的作用时间，所述第三扇区中T₁为矢量(1,0,0)作用的时间，T₂为矢量(1,1,0)的作用时间，所述第四扇区中T₁为矢量(0,1,1)作用的时间，T₂为矢量(0,0,1)的作用时间，所述第五扇区中T₁为矢量(0,1,0)作用的时间，T₂为矢量(0,1,1)的作用时间，所述第六扇区中T₁为矢量(0,0,1)作用的时间，T₂为矢量(1,0,1)的作用时间，所述T₀为零矢量作用时间，所述零矢量为(1,1,1)或为(0,0,0)。

本发明具有如下优点：

(1)将交错并联的思想移植到SVPWM调制算法中，提高了并联系统的直流电压利用率，改善并联系统的输出波形质量。

(2)仅采用一个同步的时间基准信号，完成两个功率模块的SVPWM交错输出，每个功率模块内的控制器均不需要为SVPWM交错实现而附加多余的计数器，从而节省了处理器的运算资源。

附图说明

图1为SVPWM调制的交错并联系统拓扑图；

图2为两功率模块并联SVPWM交错调制图；

图3为交错并联系统启动同步流程图；

图4为交错并联系统中断流程图；

图5为第一功率模块比较匹配PWM高电平有效PWM生成图；

图6为第二功率模块比较匹配PWM低电平有效PWM生成图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1所示，一种SVPWM调制的交错并联系统，包括一个交错并联系统，所述交错并联系统包括第一功率模块1和第二功率模块2，所述第一功率模块1和第二功率模块2均采用两电平三相全控桥拓扑结构，第一功率模块1包括第一桥臂（A相）、第二桥臂（B相）、第三桥臂（C相）和第一控制器，第二功率模块包括第四桥臂6（A相）、第五桥臂7（B相）、第六桥臂8（C相）和第二控制器；所述第一功率模块1和第二功率模块2的交流侧5A相、B相和C相并联接入三相电网3，所述第一功率模块和第二功率模块的直流侧4相互独立，所述第一桥臂包括第一桥臂上管9和第一桥臂下管10，所述第二桥臂包括第二桥臂上管和第二桥臂下管，所述第三桥臂包括第三桥臂上管和第三桥臂下管，所述第四桥臂包括第四桥臂上管和第四桥臂下管，所述第五桥臂包括第五桥臂上管和第五桥臂下管，所述第六桥臂包括第六桥臂上管和第六桥臂下管；所述第一控制器与第二控制器采用直接通讯方式实现时间基准的同步，所述第一控制器和第二控制器分别输出第一PWM脉冲、第二PWM脉冲、第三PWM脉冲、第四PWM脉冲、第五PWM脉冲和第六PWM脉冲；所述第一PWM脉冲控制第一桥臂和第四桥臂上管，所述第二PWM脉冲控制第一桥臂和第四桥臂下管，所述第三PWM脉冲控制第二桥臂和第五桥臂上管，所述第四PWM脉冲控制第二桥臂和第五桥臂下管，所述第五PWM脉冲控制第三桥臂和第六桥臂上管，所述第六PWM脉冲控制第三桥臂和第六桥臂下管；所述第一PWM脉冲和第二PWM脉冲共用第一比较寄存器CMPA，所述第三PWM脉冲和第四PWM脉冲共用第二比较寄存器CMPB，所述第五PWM脉冲和第六PWM脉冲共用第三比较寄存器CMPC。

所述第一功率模块和第二功率模块的每个桥臂均可输出两种状态，当第一功率模块中第一桥臂（A相）上管开通时，该相输出为1状态，当第一桥臂（A相）下管(10)开通时，该相输出为0状态，由此A相、B相和C相三相的状态组合后，可得8个矢量，分别是(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)、(0,1,1)、(1,0,1)、(1,1,0)、(0,0,0)、(1,1,1)；其中第一功率模块的(1,0,0)矢量，表示第一功率模块的第一桥臂（A相）上管开通，第二桥臂（B相）下管开通，第三桥臂（C相）下管开通，矢量(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)之间空间互差120度，矢量(0,1,1)为(1,0,0)的反方向，两矢量互差180度，(0,1,0)为(1,0,1)的反方向，两矢量互差180度，(0,0,1)为(1,1,0)的反方向，两矢量互差180度，(0,0,0)、(1,1,1)矢量在中心点为零矢量，矢量关系如图2所示。

一种SVPWM调制的交错并联系统进行交错并联控制方法的步骤是：

（a）如图3所示，第一功率模块和第二功率模块执行相同的启动程序，所述启动程序包括交错并联系统上电、初始化寄存器、设置定时器连续增减模式、判断程序执行的功率模块、查询功率模块是否基准同步和使能定时器中断；

（b）如图4所示，进入定时器中断后，根据系统实现功能的不同，通过计算得到最终所要调制的三相调制波信号 、、，将该信号通过3/2矩阵变换，得到两相静止坐标系下的两个量与以及所需合成的矢量V_σ，变换矩阵如式（1）所示；

(1)

（c）计算矢量V_σ所在扇区，所述扇区计算方法为：若>，则O=1，否则O=0，若，则P=1，否则P=0，若，则Q=1，否则Q=0，设定区间N=O+2P+4Q，根据N值确定矢量V_σ所在的扇区，扇区编号如图2所示，所述扇区分为第一扇区、第二扇区、第三扇区、第四扇区、第五扇区和第六扇区；

（d）采用伏秒平衡原理，用矢量V_σ所在的扇区的相邻两个矢量合成该矢量,计算两相邻矢量的作用时间，为了计算方便，定义X，Y，Z三个通用值，如式(2)所示,式中T_s为开关周期，U_dc为功率模块的直流侧母线电压；

(2)

(e)根据相邻两个矢量在不同扇区的作用时间，分别计算T₁、T₂、T₀，T1和T2为不同扇区下所对应的矢量的作用时间，所述T₀为为零矢量作用时间，其计算方法如式（3）所示：

(3)

（f）根据T₁、T₂、T₀计算第一比较寄存器CMPA中的值CMP1、第二比较寄存器CMPB中的值CMP2和第三比较寄存器CMPC中的值CMP3，其计算方法如式(4)所示：

(4)

（g）根据第一功率模块和第二功率模块选择不同的PWM脉冲生成方法，如图5所示，若是第一功率模块，则设定比较匹配PWM高电平有效，即定时器增计数与比较器发生比较匹配时，所述第一功率模块中第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂上管PWM脉冲输出由低电平翻转为高电平，定时器减计数与比较器发生比较匹配时，所述第一功率模块中第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂上管PWM脉冲输出由高电平翻转为低电平，如图6所示，若是第二功率模块，则设定比较匹配PWM低电平有效，即定时器增计数与比较器发生比较匹配时，所述第二功率模块中第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂上管PWM脉冲输出由高电平翻转为低电平，定时器减计数与比较器发生比较匹配时，所述第二功率模块中第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂上管PWM脉冲输出由低电平翻转为高电平；

（h）根据不同的扇区，在第一功率模块和第二功率模块的比较寄存器中装载不同的值，对于第一功率模块，若第一功率模块合成矢量V_σ在第一扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP3；若第一功率模块合成矢量V_σ在第二扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第一功率模块合成矢量V_σ在第三扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP3，若第一功率模块合成矢量V_σ在第四扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第一功率模块合成矢量V_σ在第五扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第一功率模块合成矢量V_σ在第六扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP1，对于第二功率模块，若第二功率模块合成矢量V_σ在第一扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第二功率模块合成矢量V_σ在第二扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP1，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第二功率模块合成矢量V_σ在第三扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP3，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP1，若第二功率模块合成矢量V_σ在第四扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP2，第三比较寄存器CMPC=CMP3，若第二功率模块合成矢量V_σ在第五扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP1，第二比较寄存器CMPB=CMP3，第三比较寄存器CMPC=CMP2，若第二功率模块合成矢量V_σ在第六扇区，则所述第一比较寄存器CMPA=CMP2，第二比较寄存器CMPB=CMP1，三比较寄存器CMPC=CMP3。

进一步的，所述第一扇区中T₁为矢量(1,1,0)作用的时间，T₂为矢量(0,1,0)的作用时间，所述第二扇区中T₁为矢量(1,0,1)作用的时间，T₂为矢量(1,0,0)的作用时间，所述第三扇区中T₁为矢量(1,0,0)作用的时间，T₂为矢量(1,1,0)的作用时间，所述第四扇区中T₁为矢量(0,1,1)作用的时间，T₂为矢量(0,0,1)的作用时间，所述第五扇区中T₁为矢量(0,1,0)作用的时间，T₂为矢量(0,1,1)的作用时间，所述第六扇区中T₁为矢量(0,0,1)作用的时间，T₂为矢量(1,0,1)的作用时间，所述T₀为零矢量作用时间，所述零矢量为(1,1,1)或为(0,0,0)。