基于DSP的三电平逆变器直接功率控制的研究*

宋延勇，徐 新

（1.新乡供电公司，河南新乡 453000;2.中国石油化工股份有限公司河南石油分公司，河南郑州 450016）

1 引言

三电平逆变技术在国内刚刚起步，但在国外已经日趋成熟，且市场需求旺盛。随着新型电力电子器件的迅速普及，和DSP智能控制芯片快速发展，这一技术必将在大功率应用场合得到广泛应用［1］。传统直流电流源供电及直流电压源供电GTO逆变器正逐渐被使用IGCT及IGBT的两电平或三电平PWM逆变器所取代，随着减少电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用［2］。

2 三电平逆变器主电路及工作原理

三电平逆变器的主电路结构采用二极管箝位式三相桥式电路，主电路拓扑如图1所示。设二极管箝位式三相桥式电路的两电容中点O处为参考电位0，以A相为例，该电路的工作过程如下:在任意工作时刻，A相的四个功率器件只有上面两个或者下面两个处于导通状态，而对应两个处于截止状态。在A相电压正半周区间内，Sa1，Sa2导通，A相与直流源Ud正极相连，输出正电平+Ud/2;在A相电压负半周区间内，Sa3，Sa4导通，A相与直流源Ud负极相连，输出正电平－Ud/2;当 Sa2，Sa3导通时，A相与参考电位点O相连，输出零电平。通过以上三种不同的开关相序可以使A相桥臂输出三种不同的电平，而B、C两相的工作与A相相同。

图1 二极管箝位式三电平逆变器主电路拓扑

当以上过程完成时，三相输出均为电平，还需要经过SVPWM信号进行斩波，才能得到正弦波。以A相为例，在A相电压正半周区间内，Sa1保持导通，用PWM信号控制Sa2导通或关断，可以将A相输出调制成正弦波正半周波形;在A相电压负半周区间内，Sa4保持导通，用PWM信号控制Sa3导通或关断，可以将A相输出调制成正弦波负半周波形，如图2所示。

图2 A相通道功率器件的导通时序

从二极管箝位式三电平逆变器的拓扑结构可知A相可输出P，O，N三种不同的状态。为了保证A相的每个功率器件在关断状态承受Ud/2的电压，则A相状态发生变化时，需要通过中性点电位 0的过渡［3］。

3 控制器硬件设计

该方案针对二极管箝位式三电平逆变器的整体系统结构，选择TI公司DSP芯片TMS320F2812作为控制器，TMS320F2812是美国TI公司推出的C2000平台上的定点32位 DSP芯片，处理性能可达150MIPS，它既具有数字信号序列的快速蝶形运算能力又具有强大的事件管理能力和丰富的中断系统，适用于大量数据处理嵌入式测控系统［4］。控制电路功能框图如图3所示，DSP控制器通过采样三相负载电流和中点电位电压，经过谐波算法，提取到三相电流的特征值，并根据结果调整SVPWM信号，由SVPWM信号通过驱动电路控制主电路的运行。

图3 逆变器控制电流框图

4 控制器软件设计

本系统软件由主程序部分、AD中断处理程序和定时中断处理程序三个部分组成:主程序完成对系统的初始化，并进入等待状态;AD中断部分三相电流和中点电位的采样;定时中断启动AD转换，并将上一周期的AD转换结果经谐波运算，得到电流幅值，并对SVPWM信号进行调整。

4.1 主程序设计

图4 主程序流程图

在系统运行前，必须对系统的各种寄存器和外围设备进行初始化，才能保证控制程序的正常运行。初始化的内容包括系统时钟、看门狗、FLASH存储器、外设中断系统、IO口、ADC模块、事件管理器模块等。

4.2 AD中断程序设计

AD对三相电流值和直流电压值进行采样，采样完成后，DSP将采样值存放在 AdcRegs.RESULT寄存器中。使用同步采样的方式，对三相电流和直流电压值各采样了4次，对4次采样结果使用算术平均值滤波，增加了系统的可靠性。

4.3 定时中断程序设计

定时中断产生时，首先将上周期AD转换结果保存到寄存器中，然后启动本周期AD采样，最后根据刚刚得到的AD转换结果，再和标准的正弦波形对比，根据对比的结果修改SVPWM输出信号。SVPWM信号由DSP芯片中的事件管理器EV模块产生，EVA模块有3个比较单元(比较单元1，2，3)，事件管理器EVB模块中也有 3个比较单元(比较单元 4，5，6)。每个比较单元都有2个相关的PWM输出，一共可以产生12路PWM信号，可以用来控制12个功率器件的通断。中断处理程序的流程如图5所示。

图5 定时中断流程图

5 结语

本方案根据三电平逆变器的工作原理，选择最直接的功率控制方法，提出了一种有效的控制器设计结构。该方案结构简单，易于实现，工作可靠，对后端设备工作或并网带来了很大的方便。

［1］刘凤君.多电平逆变技术及其应用［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］刘凤君.现代逆变技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］Lai J S，Peng F Z.Multilevel converters－ A new breed of power converters［J］.IEEE Transactions on Industry Applica － tions，1996，32(3):509－517.

［4］江思敏.TMS320C2000系列 DSP开发应用技巧［M］.北京:中国电力出版社.2008.

［5］LIN Lei，ZOU YunpingDigital implementation of diode － clamped three－ phase three － level SVPWM inverter［C］.IEEE PEDS＇03.Singapore:IEEE，2003:1413 －1417.