三電平逆變器SVPWM控制算法研究

摘要：論述了二極管箝位式三電平逆變器的基本結(jié)構(gòu)，分析了空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制三電平逆變器的算法，給出了確定參考矢量的三個(gè)規(guī)則，并推導(dǎo)出工作矢量的作用時(shí)間和輸出順序，從而使三電平逆變器SVPWM控制算法的可行性得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：三電平逆變器；SVPWM；算法

    目前，三電平逆變器是實(shí)現(xiàn)中高壓、大容量電機(jī)調(diào)速的主要方式之一，與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，其優(yōu)點(diǎn)是能承受高電壓、電壓電流上升率低等。但是，由于其逆變狀態(tài)比傳統(tǒng)兩電平多，加上前端三線整流所帶來(lái)的中點(diǎn)電壓波動(dòng)，其控制算法的復(fù)雜程度也隨之增大。電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)本質(zhì)上依賴于開(kāi)關(guān)矢量的選擇和開(kāi)關(guān)矢量作用時(shí)間的計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)矢量，降低開(kāi)關(guān)頻率，從而減少了交流側(cè)電流的總諧波畸變率，提高了母線電壓利用率。

1 三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)
    三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)主要是二極管中點(diǎn)箝位(NPC)式，如圖1所示。

    以電源中點(diǎn)為參考，每一相可以輸出1、0和-1三種電平。以U相為例，其輸出規(guī)律為：當(dāng)S1、S2開(kāi)通。S3、S4關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為1；當(dāng)S2、S3開(kāi)通，S1、S4關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為0；當(dāng)S1、S2關(guān)斷，S3、S4開(kāi)通時(shí)，輸出電壓為-1。
    對(duì)三相三電平逆變器而言，每相都有3種(1、0、-1)電平輸出，所以三相共有33=27個(gè)電平狀態(tài)輸出，對(duì)應(yīng)著空間矢量的27個(gè)矢量狀態(tài)，如圖2所示。

2 三電平SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)
2．1 參考電壓矢量位置和輸出電壓矢量的確定
    SVPWM算法的首要任務(wù)就是判斷參考電壓矢量位于哪個(gè)區(qū)域及該區(qū)域中的哪個(gè)小三角形，然后依此確定相應(yīng)的輸出電壓矢量。為了防止輸出電壓產(chǎn)生很高的dv／dt，每次輸出狀態(tài)切換時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)只切換一個(gè)電平。第I象限正三角形中矢量分區(qū)如圖3所示，其它象限矢量的分析可參照第I象限。先根據(jù)參考矢量的角度確定出該矢量位于圖2所示的6個(gè)正三角形區(qū)域中的哪一個(gè)，然后可以依據(jù)如下3條規(guī)則進(jìn)一步判斷位于哪個(gè)小三角形。參考電壓矢量所在小三角形的3個(gè)頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓矢量就作為參考電壓矢量的基本矢量。

    參考電壓矢量為：
   
2．2 輸出電壓矢量作用時(shí)間的計(jì)算
    在采樣周期內(nèi)，對(duì)于給定的參考電壓矢量Vref可以由3個(gè)基本電壓矢量來(lái)合成，根據(jù)伏秒平衡原理，滿足方程組：
   
    式中：T1，T2，T3分別為矢量V1，V2，V3對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間；TS為采樣周期。由此方程組得到各基本矢量的作用時(shí)間，再根據(jù)基本矢量與開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以確定開(kāi)關(guān)狀態(tài)及其輸出形式。
    (1)當(dāng)參考矢量在A區(qū)時(shí)，Vref由V0，V1，V3合成，作用時(shí)間分別為T0，T1，T3可得計(jì)算公式如下：
   
    依此類推，當(dāng)參考矢量在B、C、D區(qū)時(shí)，也可得到相應(yīng)的計(jì)算公式，不再累述。
2．3 輸出電壓矢量的作用順序
    在每個(gè)SVPWM控制周期中，需合理安排輸出電壓矢量的作用順序，輸出電壓矢量作用順序的原則：
    (1)為了減少逆變器開(kāi)關(guān)損耗，任一時(shí)刻逆變器僅有一條支路產(chǎn)生通斷動(dòng)作，并且每條支路狀態(tài)只能由-1變到0，或由1變到0，或反之，不允許-1與1之間直接互變；
    (2)盡可能選擇到每個(gè)區(qū)域內(nèi)所有空間電壓矢量，另外考慮到區(qū)域和扇區(qū)之間矢量過(guò)渡的平滑性，每個(gè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)該先選擇小矢量。由此原則可得到圖3中各區(qū)域輸出電壓矢量的作用順序如表1所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    仿真結(jié)果證明SVPWM控制三電平逆變器是可行的。而且可以看出三電平逆變器主要特點(diǎn)是由多個(gè)電平臺(tái)階合成的輸出電壓正弦波形，因此，在相同開(kāi)關(guān)頻率條件下，與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，電壓上升率及諧波含量都大大減少，改善了輸出電壓波形。線電流波形接近正弦，諧波含量少，并且能很快趨于穩(wěn)定。另外，逆變電路中開(kāi)關(guān)管上電壓額定值為直流母線上電壓的一半，使低壓開(kāi)關(guān)器件可以應(yīng)用于高壓變換器中。