一种基于FPGA的多电平系统统一控制方法及装置与流程

本发明涉及多电平系统控制，尤其是涉及一种基于fpga的多电平系统统一控制方法及装置。

背景技术：

1、链式svg、高压直挂储能、mmc等多电平系统在新能源中扮演着至关重要的角色，比如新能源场站内需要链式svg进行无功补偿，高压直挂储能在新能源配储、电网侧中也都有成熟应用并在未来发展中具有很大潜力，mmc在大规模可再生能源并网、大型城市供电和沿海岛屿联网等应用场景中应用。

2、多电平系统应用的发展也引来了众多企业和学者关注，企业比较关注多电平系统控制器开发和测试，学者比较关注前沿控制策略的正确性论证以及产学研发展。但相对风光等新能源控制器开发时间和成本，多电平系统控制器开发周期更长、成本更高，而且多电平系统因“子模块数量多、开关器件多、”特点，需要光纤进行信息传递，开发难度也大，调试难度也大。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于fpga的多电平系统统一控制方法及装置，在同一个fpga上实现任意级联数的多电平系统控制。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于fpga的多电平系统统一控制方法，用于通过fpga输出多电平系统的控制信号，包括以下步骤：

4、接收由上位机配置的多电平系统应用模型、模块级联数、调制方式和调制参数；

5、接收多电平系统数据，包括各桥臂子模块的电压、电流和状态；

6、根据上位机配置的调制方式，选择载波移相调制或最近电平调制，确定控制系统调制方式；

7、根据上位机配置的多电平系统应用模型，确定多电平应用类型，从而对各桥臂子模块电压分别进行从小到大排序，确定各桥臂子模块的投切数；

8、根据上位机配置的多电平系统应用模型，结合桥臂调制波、桥臂电流流向、电压排序、和投切数进行调制，产生各桥臂子模块的pwm信号；

9、对各桥臂子模块的pwm信号进行组帧，并分配给各个通信接口，传输到多电平系统中进行控制。

10、进一步地，所述多电平系统应用模型通过在多个预设模型符号中选择进行设置，以代表半桥型模块化多电平换流器、全桥型模块化多电平换流器、链式静止无功补偿器或高压直挂储能；

11、所述模块级联数根据多电平系统的实际级联数设置为0-512之间任意数；

12、所述调制方式通过在多个预设调制符号中选择进行设置，以代表载波移相调制和最近电平调制；

13、调制参数包括预设值的三角载波频率、移相角等初始化数据，cpu实时下发的各桥臂子模块的调制波和使能信号。

14、进一步地，所述确定各桥臂子模块的投切数的过程具体为：

15、若配置的所述调制符号对应载波移相调制，则将接收到的调制波分别与初设投切数个按照移相角和三角载波频率排列的三角载波进行比较，得到控制每个桥臂子模块的控制脉冲方波，将桥臂子模块输出的电平叠加之后得到阶梯波，并对比较后的信号进行求和计算桥臂子模块所需投切数；

16、若配置的所述调制符号对应最近电平调制，则将实时接收的调制波按照设置的模型符号对应的多电平系统应用模型计算桥臂子模块所需投切数。

17、进一步地，所述最近电平调制对应的桥臂子模块所需投切数的计算过程具体为：

18、若设置的模型符号对应半桥型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器，则所需要投切的上下桥臂的子模块个数的计算表达式为：

19、

20、式中，n+为上桥臂所需要投入的子模块个数，n-为下桥臂所需要投入的子模块个数，n为桥臂子模块级联数，m_regf为上位机下发至fpga的调制波，round(·)为取整函数；

21、若设置的模型符号对应链式静止无功补偿器或高压直挂储能，则桥臂子模块所需投切数的计算表达式为：

22、n＝round(m_ref)

23、式中，n为桥臂子模块所需投切数。

24、进一步地，所述对各桥臂子模块电压分别进行从小到大排序的过程具体为：

25、若设置的模型符号对应半桥型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器，则将六个桥臂的子模块电压分别进行从小到大排序；

26、若设置的模型符号对应链式静止无功补偿器或高压直挂储能，则将三个桥臂的子模块电压进行从小到大排序。

27、进一步地，产生各桥臂子模块的pwm信号前预先设置：

28、将多电平系统的各个桥臂子模块的pwm信号均设置为pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2四路pwm信号，将开关管高电平导通表示为1，开关管低电平关断表示为0。

29、进一步地，所述产生各桥臂子模块的pwm信号的过程具体为：

30、若设置的模型符号对应半桥型模块化多电平换流器，则使用pwm_u1和pwm_l1，不使用pwm_u2和pwm_l2，默认为低电平；；若此时刻桥臂子模块电流大于零，则选取电压排序靠前的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1和pwm_l1分别表示为1和0；其它桥臂子模块切除，对应的pwm_u1和pwm_l1分别表示为0和1；若此时刻桥臂子模块电流小于零，则选取电压排序靠后的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1和pwm_l1分别表示为1和0；其它桥臂子模块切除，对应的pwm_u1和pwm_l1分别表示为0和1；

31、若设置的模型符号对应全桥型模块化多电平换流器，则使用pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2；若此时刻桥臂子模块电流大于零，则选取电压排序靠前的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、0、1；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、0、1或1、0、1、0；若此时刻桥臂子模块电流小于零，则选取电压排序靠后的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、0、1；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、0、1或1、0、1、0。

32、进一步地，所述产生各桥臂子模块的pwm信号的过程具体为：

33、若设置的模型符号对应链式静止无功补偿器或高压直挂储能，则使用pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2；若此时刻调制波大于零且桥臂子模块电流大于零，则选取电压排序靠前的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、0、1；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、0、1；

34、若此时刻调制波大于零且桥臂子模块电流小于零，则选取电压排序靠后的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、0、1；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、0、1；

35、若此时刻调制波小于零且桥臂子模块电流大于零，则选取电压排序靠后的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、1、0；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、1、0；

36、若此时刻调制波小于零且桥臂子模块电流小于零，则选取电压排序靠前的桥臂子模块投入使用，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为0、1、1、0；其余子模块切除，对应的pwm_u1、pwm_l1、pwm_u2、pwm_l2分别表示为1、0、1、0。

37、进一步地，各桥臂子模块的pwm信号的产生过程进行并行处理；

38、产生的pwm信号通过光纤传输，将各个pwm信号组成多个比特数据，通过对应的有效光纤口传输到多电平系统；若设置的模型符号对应半桥型模块化多电平换流器或全桥型模块化多电平换流器，则选用六个有效光纤口分别进行数据传输；若设置的模型符号对应链式静止无功补偿器或高压直挂储能，则选用三个有效光纤口分别进行数据传输。

39、本发明还提供一种基于fpga的多电平系统统一控制装置，包括：

40、上位机，用于配置多电平系统应用模型、模块级联数、调制方式和调制参数；

41、fpga，用于执行如上所述的一种基于fpga的多电平系统统一控制方法；

42、多电平系统，用于根据fpga传输的pwm信号进行控制，并向fpga反馈数据。

43、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

44、(1)本发明通过对多电平系统应用模型、模块级联数和调制方式等预先通过上位机进行设置并传输到底层fpga中，在底层fpga接收大量系统数据进行处理时，通过上位机预先配置的数据信息，可以配置对应的计算逻辑策略实现根据不同的多电平系统应用模型和调制方式，进行多电平系统子模块投切数的计算、电压排序以及pwm信号的产生和发送，可保证多电平系统的正常运行，能实现对子模块任意级联数的多电平系统模型的支持，同时也支持两种经典pwm调制方法的切换和光纤信息交互。

45、(2)本发明利用基于fpga的方法来实现一个控制器对3种多电平系统的控制，同时对于使用者来说，仅需要配置，如设置子模块级联个数、pwm调制类型等信息即可使用这个控制器，并无需fpga编程，能快速提升工程师对不同应用领域的多电平系统算法开发效率，降低开发早期控制器所存在的错误及缺陷。