三电平逆变器的SVPWM控制策略

摘  要：介绍了二极管箱位（NPC）型三电平逆变器的电路拓扑结构，采用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的控制策略，达到对异步电机转矩精确控制的目标。研究了三电平逆变器的SVPWM控制策略以及控制算法。采用MATLAB软件对三电平逆变器SVPWM调制算法进行了仿真分析，证明了该调制算法的正确性。该调制方案在应用于电机变频调速系统中具有良好的节能效果。

关键词：三电平逆变器;空间矢量控制;SIMULINK

Abstract: Introduced the form of diode-clamped three-level inverter, using the method of SVPWM for high toque control accuracy. Investigating the three-level inverter and space vector pulse width modulation control method used in motor. At last，the SVPWM modulating method of three-level inverters is simulated by MATLAB，and the correct result is as proved.There has good effect in high controlling motor.

Key word: three level inverter;space vector control;SIMULINK;

　　近年来，多电平逆变器在高压大功率场合的应用受到越来越多的关注，各种电路拓扑结构及控制方法纷纷被提出和研究，其中三电平结构更是研究的热点。在三电平有多种拓扑结构，如二极管箝位型、飞跃电容型和独立直流电源级联等拓扑结构，其中二极管箝位型拓扑结构运用最广泛。它能有效地提高调速系统的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中受到普遍的重视。本文基于三电平逆变器的二极管拓扑结构，采用空间电压空间矢量控制策略，实现了低谐波分量的高性能的电压矢量控制。

1 三电平逆变器拓扑结构

　　在下图1中，每相桥臂上有4个IGBT，2个箝位二极管和4个反向恢复二极管。在运行过程中，始终保证每相桥臂的1、3管互锁，2、4管互锁，每相输出有三种电平。例如，在A相同时导通S1、S2，关断S3、S4，在逆变电路输出端可以获得一个正电平;同时导通S2、S3，关断S1、S4输出电压为零;同时导通S3、S4，关断S1、S4，可在输出端得到一个负电平。从电路结构可以看出零电平是靠S2、S3和二极管D5、D6共同作用实现的。

　　因此，从三电平的拓扑结构来看，每一相可以有三种开关状态，在使用同样的开关器件时，可以得到比两电平更高的逆变电压，而且在相同的直流电压下，三电平拓扑结构比两电平结构更加可靠。此外，在控制开关器件的关断时，要合理的设置死区时间以避免发生同一桥臂IGBT同时导通或关断。

2 三电平逆变器空间电压矢量

　　2.1 空间电压矢量原理

　　若开关变量Sa、Sb、Sc代表各相桥臂的输出状态，Si（i=a,b,c）=（1,0,-1）分别代表第i相输出电平P,第i相输出电平O，和第i相输出电平N，因此三相三电平逆变器就可以输出3³=27种开关状态。输出状态表达为：

　　

　　按照幅值相等的原则，定子电压空间向量可表示为：

　　

　　将（1）带入（2）得：

　　

　　将其对应到平面上，则三电平变换器27组开关状态所对应的空间矢量如图2所示。这27个空间矢量可分成四类，其中，6个长矢量，6个中矢量，12个小矢量，3个零矢量 。把矢量幅值与之对应起来，可以很清楚的看出三电平电压矢量分布规律，对矢量图分析一般按照对称的原则，只要分析其中60度的区域，60度区域小三角形个数为4，三电平逆变器输出相电压从波谷到波峰之间的电压等级为9级，输出线电压从波峰到波谷之间的电压等级为5级。

　　2.2 空间电压矢量对中点电位的影响

　　在电路拓扑结构中可以看出，只要中点电流不为零，直流侧的电容就会充放电，从而影响中点电位。在四种基本电压矢量中，零矢量由于三相电位相等，所以中点不会有电流通过，因此不会影响中点电位;大矢量由于中点根本就没有参与能量的传输，因此也不会产生影响;中矢量和小矢量，中点会参与能量的传输，中点电流不会为零，所以都会影响中点电位。

　　无论是小矢量还是中矢量，中点电流灌入的时候，中点电位上升，中点电流抽出的时候，中点电位下降。当某相电流方向确定的时候，小矢量状态对中点电位的影响是相反的，这也是为什么可以通过选择小矢量状态作用时间可以调节中点电位平衡的原因。

3 三电平的SVPWM调制方案

　　3.1 电压矢量与磁链空间矢量的关系

　　交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，因此SVPWM控制又称磁链跟踪控制。当异步电机的三相对称定子绕组由三相平衡正弦电压供电时，定子电压可表示为：

　　

　　其中，分别为定子三相电压、电流、磁链合成空间矢量，ψ_m是磁链的幅值， ω1为其旋转角速度。当电机转速不很低时，定子电阻压降可忽略不计，电压u_s表示为：

　　

　　可见，当磁链幅值ψ_m一定时，u_s的大小与ω1成正比，其方向即为磁链圆的切线方向。增加逆变器的开关切换次数即可使磁链逼近圆形，如图3，设磁链增量由六段组成，每段的电压矢量也不同，因此采用不同

　　电压空间矢量在不同时间作用时的线性组合即可得到所需相位的磁链增量。

　　3.2 三电平的SVPWM调制

　　对于三电平逆变器，可用类似两电平的方法将空间电压矢量图分成6个扇区，每个扇区又分为4个小三角形区，共有24个三角区。图4中Va、Vc是长矢量，Vb是中矢量，V1、V2是短矢量，V0是零矢量。在不考虑电压补偿时，调制比m=f/50，f为运行频率。设合成的参考矢量为V且落在扇区1内，由V1、V2和V0合成，分别对应的开关状态时间为T1、T2和T0。则有

　　

　　其他扇区参考矢量的计算方法类似。这样需分24种情况来确定参考矢量，再对不同的三角区用不同的表达式计算参与合成的矢量和其作用的时间。

4 仿真实验结果

　　从仿真结果图5可以看出，电机起动时电流波动较大，但当电机达到给定转速时，电机的电流基本在稳定值附近。三电平逆变器的输出线电压波形接近正弦波，谐波分量较小。磁链轨迹基本接近圆形，符合空间电压空间矢量控制要求。中点电位在平衡点上下有轻微波动，但上下几乎对称，基本平衡。

　　（a） 电机的定子三相电流波形

　　（b） 三电平线电压波形

　　（c） 滞环控制的磁链轨迹

　　（d） 中点电位的波形

5 结论

　　本文提出的基于三电平的SVPWM调制技术通过优化开关矢量及其作用时间，有效降低了开关损耗，减少了交流侧的谐波畸变率，提高了变频调速系统的输出电压和母线电压的利用率。采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%。

参考文献：

　　[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] 李永东,肖曦,高跃.大容量多电平变换器-原理∙控制∙应用[M].北京：科学出版社，2005.

　　[3] 丁文鹏，洪乃刚.一种三电平逆变器参考电压矢量区域判断的新算法【J】.安徽大学学报，2007，（1）：72-75.

　　[4] 宋文祥，陈国呈，武慧.～种具有中点电位平衡功能的三电平空间矢量调制方法及其实现[J】.中国电机工程学报，2006，26（12）：95-100.