三电平逆变器SVPWM控制算法研究

摘要：论述了二极管箝位式三电平逆变器的基本结构，分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制三电平逆变器的算法，给出了确定参考矢量的三个规则，并推导出工作矢量的作用时间和输出顺序，从而使三电平逆变器SVPWM控制算法的可行性得到了验证。
关键词：三电平逆变器；SVPWM；算法

    目前，三电平逆变器是实现中高压、大容量电机调速的主要方式之一，与传统的两电平逆变器相比，其优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。但是，由于其逆变状态比传统两电平多，加上前端三线整流所带来的中点电压波动，其控制算法的复杂程度也随之增大。电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)本质上依赖于开关矢量的选择和开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降低开关频率，从而减少了交流侧电流的总谐波畸变率，提高了母线电压利用率。

1 三电平逆变器主电路结构
    三电平逆变器主电路结构主要是二极管中点箝位(NPC)式，如图1所示。

    以电源中点为参考，每一相可以输出1、0和-1三种电平。以U相为例，其输出规律为：当S1、S2开通。S3、S4关断时，输出电压为1；当S2、S3开通，S1、S4关断时，输出电压为0；当S1、S2关断，S3、S4开通时，输出电压为-1。
    对三相三电平逆变器而言，每相都有3种(1、0、-1)电平输出，所以三相共有33=27个电平状态输出，对应着空间矢量的27个矢量状态，如图2所示。

2 三电平SVPWM算法的实现
2．1 参考电压矢量位置和输出电压矢量的确定
    SVPWM算法的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后依此确定相应的输出电压矢量。为了防止输出电压产生很高的dv／dt，每次输出状态切换时，开关状态只切换一个电平。第I象限正三角形中矢量分区如图3所示，其它象限矢量的分析可参照第I象限。先根据参考矢量的角度确定出该矢量位于图2所示的6个正三角形区域中的哪一个，然后可以依据如下3条规则进一步判断位于哪个小三角形。参考电压矢量所在小三角形的3个顶点所对应的电压矢量就作为参考电压矢量的基本矢量。

    参考电压矢量为：
   

2．2 输出电压矢量作用时间的计算
    在采样周期内，对于给定的参考电压矢量Vref可以由3个基本电压矢量来合成，根据伏秒平衡原理，满足方程组：
   

    式中：T1，T2，T3分别为矢量V1，V2，V3对应的作用时间；TS为采样周期。由此方程组得到各基本矢量的作用时间，再根据基本矢量与开关状态的对应关系，就可以确定开关状态及其输出形式。
    (1)当参考矢量在A区时，Vref由V0，V1，V3合成，作用时间分别为T0，T1，T3可得计算公式如下：
   

    依此类推，当参考矢量在B、C、D区时，也可得到相应的计算公式，不再累述。
2．3 输出电压矢量的作用顺序
    在每个SVPWM控制周期中，需合理安排输出电压矢量的作用顺序，输出电压矢量作用顺序的原则：
    (1)为了减少逆变器开关损耗，任一时刻逆变器仅有一条支路产生通断动作，并且每条支路状态只能由-1变到0，或由1变到0，或反之，不允许-1与1之间直接互变；
    (2)尽可能选择到每个区域内所有空间电压矢量，另外考虑到区域和扇区之间矢量过渡的平滑性，每个区域内应该先选择小矢量。由此原则可得到图3中各区域输出电压矢量的作用顺序如表1所示。

3 结束语
    仿真结果证明SVPWM控制三电平逆变器是可行的。而且可以看出三电平逆变器主要特点是由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形，因此，在相同开关频率条件下，与传统的两电平逆变器相比，电压上升率及谐波含量都大大减少，改善了输出电压波形。线电流波形接近正弦，谐波含量少，并且能很快趋于稳定。另外，逆变电路中开关管上电压额定值为直流母线上电压的一半，使低压开关器件可以应用于高压变换器中。