SVPWM在NPC三电平逆变器中的

应用与实现

贾华，朱高建

(内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古 包头，014010)

摘要：分析三电平逆变器的结构及工作原理，论述空间电压矢量脉宽调制在中点箝位式三电平逆变器中的原理和实现方法，提出一种易于实现的三电平逆变器空间电压矢量PWM算法。在研究基于参考电压分解的SVPWM矢量法中，合成参考矢量方面采用最近三角矢量法，然后对中点不平衡的问题提出一种解决方法，最后用MATLAB/Simulink进行仿真实验。结果证实了所提出的空间矢量PWM算法和实现方法是正确可行的。

关键词：逆变器；三电平；空间电压矢量脉宽调制；MATLAB/SIMULINK仿真

中图分类号：TM464          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)S1-0958-06

Application and realization of SVPWM in NPC three-level inverter

JIA Hua, ZHU Gao-jian

(School of Information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,

Baotou 014010, China)

Abstract: The structure and operation principle of three-level inverter were analyzed first, and then the principle and implementation method of neutral point clamped three-level inverter SVPWM were addressed. A practical three-level inverter space vector PWM, which is easy to implement, was proposed. In the method based on referenced-voltage decomposition SVPWM, the composition reference vector adopted the nearest triangle vector method, which solved the problem of imbalance in the neutral point. In the end, the simulation results via MATLAB/Simulink were presented. The results testify the correctness and feasibility of proposed vector PWM algorithm and its realization method.

Key words: inverter; three-level; SVPWM; MATLAB/SIMULINK

自从多电平的概念提出以来，多电平变换器技术一直受到广大研究人员的关注，尤其是在大功率应用领域。与两电平变换器相比，多电平变换器的突出优点是它能输出更小的电压阶梯，输出电压波形更逼近正弦波形，由此产生更高的功率质量、更低的谐波分量、更好的电磁兼容性以及更低的开关损耗^[1]。

空间电压矢量PWM(SVPWM)具有易于数字实现、优化的开关序列、高的直流母线电压利用率等优点，因而得到了广泛的应用。多电平变换器的SVPWM比两电平的SVPWM更复杂，其复杂性表现在参考矢量位置的确定、开关状态的选择以及作用时间的计算。Lee等^[2]提出了一种简化三电平SVPWM算法，其核心是三电平到二电平空间矢量图的简化，是三电平逆变器SVPWM控制算法中较为简便的一种。伍小杰  等^[3]论述了将传统两电平逆变器的电压空间矢量控制算法用于三电平逆变器。本文作者在介绍二极管箝位三点平逆变器空间矢量PWM原理基础上，分析了参考电压矢量法SVPWM算法，在合成参考矢量方面采用最近三角矢量法。该算法能很好地继承目前广泛使用参考电压SVPWM算法的流程，在此基础上通过硬件设计改进了逆变器电容中点不平衡的问题。

1  NPC三电平逆变器空间矢量控制原理

三电平IGBT中点箝位式逆变器主回路如图1所示。若直流侧电容C₁和C₂两端的电压都等于U_dc/2，则逆变器的每相电压都有3个电平状态：+U_dc/2，0和-U_dc/2，即每相输出分别有正(P)、零(O)、负(N)3个开关状态。

若定义开关变量S_a，S_b和S_c代表各相桥臂的输出状态，则各相电压表示为：

    (1)

因此，三相三电平变换器中的3个桥臂能能2,形成27个开关状态。此时，仍定义空间电压矢量为：

     (2)

2  SVPWM算法分析及其实现步骤

从空间矢量图可以看出，为了使三电平逆变器输出的电压矢量接近圆形，并最终获得圆形的旋转磁通，只有利用逆变器的输出电平和作用时间的有限组合，用多边形接近圆形。为了便于计算，本文作者在合成参考矢量方面采用最近三角矢量法。最近三角矢量法就是当参考矢量落在大六边形矢量图的某个大扇区的某个小三角形区域内时，用该小三角形区域顶点的3个开关矢量来合成。

2.1  三电平逆变器矢量图的划分

如图2所示，三电平逆变器能输出19种不同的基本空间电压矢量。除了1个零矢量外，其余18个矢量把圆周360?等分为6个扇区，每个扇区占60?的空间角度，且每个扇区又可划分为4个区域，在任何一个区域内有最接近的3个电压矢量供选择，零矢量为6个扇区所共有。

设需要合成的空间电压矢量为参考空间电压矢量U_ref：

               (3)

其中：U_ref和θ分别为参考空间电压矢量的模和空间电角度。

当空间电压矢量在图2所示的大六边形内围绕中心旋转时，它就会扫过不同的区域。为了便于指出需要合成的参考矢量位置，将整个合成矢量图分成1，2，3，4，5，6共6个大扇区，如图3所示。根据参考电压矢量的角度 θ来判断扇区，θ的范围为[-π，π]，因此，用θ/60再取整的办法来判断参考矢量在扇区的位置。每个大扇区分成A₁，A₂，A₃，A₄，B₁，B₂，B₃，B₄，…，等以此类推，共4个小三角形区域。如图4所示，以参考矢量落在第一扇区为例。

图1  二极管箝位式三电平逆变器主电路图

Fig.1  Main circuit for diode-clamped three-level inverter

图2  三电平逆变器空间电压矢量图

Fig.2  Space voltage vector diagram for three-level inverter

图3  扇区的选择

Fig.3  Selection of sectors

图4  参考矢量落在第一扇区图

Fig.4  Reference vectors locating in sector 1

2.2  计算区域内各矢量的作用时间

采用最近三角矢量法，以第1扇区A₄三角形区域为例，按照“伏秒”积相等的原理，参考电压空间矢量U_ref，由小三角形区域顶点的3个电压空间矢量U_A, U_B, U_AO合成。可得：

       (4)

其中：T_s为PWM周期；T_ao，T_a和T_b分别为和的作用时间。

将 和分解到虚轴和实轴，令实部和虚部相等，得:

  (5)

解方程组(5)，得：

         (6)

其中：k=2/为常数；m=U_ref/U_dc为调制比(0

同理，可以计算出空间电压矢量落在第1扇区A₁，A₂和A₃区域时各开关矢量所作用的时间，计算出空间电压矢量落在其他扇区和小三角形区域时的各开关矢量所作用的时间，如表1所示。

表1  扇区1中各基本矢量的作用时间

Table 1  Working time of basic vectors in sector 1

2.3  相量合成方案

在以上的等式计算出开关矢量的作用时间后，就是按开关矢量的作用顺序以及各时点，从而得到逆变器三相的SVPWM触发波。

常用的方法是七段最近三角形矢量法，七段矢量的作用时间之和为采样时间。即将每个T_s分成7段，使每个区域内的3种矢量循环作用的时间分别为T_a/4，T_b/2，T_c/2，T_a/2，T_c/2，T_b/2和T_a/4。

确定了电压空间矢量作用时间，还需要合理选择

开关矢量的作用顺序，以便更合理、有效地控制逆变器工作电压空间矢量的选择^[4]。

(1) 逆变器每条支路状态只能由P变到O，或由N变到O，或反之，不允许P与N之间直接互变。

(2) 选择电压矢量时要尽可能选择到每个区域内的每一个空间；考虑到区域和扇区间矢量过渡的平滑性，每个区域内应该优先选择小矢量。

(3) 中、小矢量对中点电位的正负影响平衡中点电位。小矢量中XXP和XXN对输出电压的作用是相同的，但对中点电压的作用正好相反，前者使中点电压上升，后者则使中点电压下降。因此，在每个周期内应该分别使用小矢量及其对偶矢量。

根据空间矢量的优化选择原则^[4]，可以确定每个扇区每个区域的矢量组。根据对称性可知，第1，3和5扇区的状态矢量的选择和作用顺序相似，第2，4和6扇区也相似。最后需要将状态矢量按照三电平逆变器的输出规律变成12路触发脉冲。

3  平衡中点电位的控制方法

在三电平逆变器中，直流侧只有2只电容，此时电容电压不均衡就称为中点电位波动。中点电压平衡问题是二极管钳位型三电平逆变器固有的问题，而中点电位的不平衡会造成严重的危害：(1)逆变器输出电压波形发生畸变。输入给异步电动机的电压中就带有低次谐波，从而使电动机负载产生脉动转矩，影响调速性能。(2)开关器件承受的电压不均衡。提高对主管阻断耐压的要求，严重时将影响正常工作。(3)直流侧电容上的电压波动降低了电容的寿命。当进行有功传递时，如不附加均压装置或使用特别的控制策略，必将导致M电平退化为三电平或两电平。

从三电平逆变器的主电路硬件构成上彻底地解决问题，即将2组串联的直流母线电容分别经2个整流桥由2组电源供电，由于其充电是独立完成的，不论各组放电是否均衡，2组电容电压均会基本保持一致，不存在中点电压波动的问题。

4  仿真结果与分析

为验证所提出的SVPWM算法的有效性以及中点电压不平衡问题的解决法案，使用MATLAB/ SIMULINK7.0构建了整个变频调速系统的仿真模型。

系统模型设计为二极管箝位式三电平中高压变频调速系统的仿真模型。此模型没有涉及负载电压、电流反馈部分及对直流母线电压监控部分的仿真，而是把它们理想化为电压恒定的恒压源。整流部分为二极管整流，直流端电容分别由两组相同参数的三相交流电源供电，改造开关的触发顺序，U_ref由3 phase Programmable Source模块经3/2变换模块分解成U_alpha和U_bata提供。直流母线电压U_dc由Constant模块     直接设定。主电路中三相交流电压源(Three-phase source模块）参数为420 V和60 Hz，交流异步鼠笼电动机(Asynchronous Machine模块)参数为2.2 kW, 220 V, 60 Hz, 1 725 RPM。取采样时间T_s=1 ms，直流侧输入为常数模块给定的420 V直流电压，仿真时间为0.05 s。

图5所示为三电平逆变器的相电压、线电压和经LC滤波器滤波后的线电压波形。图6所示为带中点 电压平衡的三电平逆变器的相电压、线电压和经LC滤波器滤波后的线电压波形。

图5  三电平逆变器的相电压、线电压和经LC滤波器滤波后的线电压波形(a)和经FFT分析后的线电压谐波频谱(b)

Fig.5  Waveform of phase voltage, line voltage and line voltage filtered by LC filter about three-level inverter (a),

line voltage harmonic spectrum analyzed by FFT (b)

图6  带中性点平衡的三电平逆变器的相电压、线电压和经LC滤波器滤波后的线电压波形(a)和经FFT分析后的线电压谐波频谱(b)

Fig.6  Waveform of phase voltage, line voltage and line voltage filtered by LC filter about three-level inverter with a neutral balance (a); line voltage harmonic spectrum analyzed by FFT (b)

5  结论

(1) 证实了基于参考电压分解SVPWM方法的有效性，采用最近三角矢量法能够简化运算的复杂性，并很好地达到了预期效果。

(2) 通过硬件方法有效地解决了中点电压不平衡的问题。利用MATLAB/ Simulink工具可以方便、直观地实现这些算法步骤，并可在此基础上对SVPWM 控制算法和三电平逆变器的特性进行了研究。

参考文献：

[1] 程善美, 蔡凯, 刘亚军, 等. NPC三电平逆变SVPWM算法的研究[J]. 微电机, 2010(6): 66-69.
CHENG Shan-mei, CAI Kai, LIU Ya-jun, et al. Research on NPC three-level space vector PWM algorithm [J]. Micromotors Servo Technique, 2010(6): 66-69.

[2] Lee C K, Hui S Y R, H Shu-hung, et a1. A randomized voltage vector switching scheme for three-level power inverters[J]. IEEE Tram on Power Electronics, 2002, 17(1): 94-100.

[3] 伍小杰, 董瑶, 周娟, 等. 三电平逆变器基于参考电压分解的SVPWM算法[J]. 系统仿真学报, 2009, 10: 6216-6220.
WU Xiao-jie, DONG Yao, ZHOU Juan, et al. SVPWM algorithm based on reference voltage decomposition for three-level inverter[J]. Journal of System Simulation, 2009, 10: 6216-6220.

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[5] 刘凤君. 正弦波逆变器[M]. 北京: 科技出版社, 2002: 40-59.
LIU Feng-jun. Sine-wave inversion[M]. Beijing: Science Press, 2002: 40-59.

(编辑 李向群)

收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15

通信作者：贾华(1962-), 男, 内蒙古乌兰察布人, 副教授, 从事电力电子及运动控制的研究；电话：15024792676；E-mail: xiaozhu3569@163.com