三电平逆变器简化SVPWM 控制算法仿真研究
摘要：本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出了一种新颖的、易于编程实现的简化三电平SVPWM 控制算法。同时，针对三电平拓扑结构固有的中点电位波动问题，分析中点电位波动的原因和抑制方法。基于Matlab/Simulink 平台，仿真结果验证了该控制算法的优越性，输出电压波形接近正弦，中点电位平衡。
关键词： 三电平逆变器;SVPWM;中点电位控制
0、引言
目前，随着高压变频调速技术的发展，多电平变换器耐压水平高、通流能力强，主要应用于矿井提升、风力发电、有源电力滤波器等高压大功率领域。与两电平成熟的拓扑结构相比，多电平变换器拓扑结构难于统一，其中交直交电压型多电平变换器可分为中点箝位型(NPC 型)和单元串联型两大类[1]。而二极管箝位型三电平拓扑结构，由于所需功率器件少、开关频率低、输出波形阶梯数高、du / dt 小、以及易于实现高性能控制等优势，应用最为广泛。
本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出一种新颖的电压空间矢量PWM 控制算法。该算法运用熟悉的两电平SVPWM 实现流程，易于数字化实现。同时，针对三电平逆变器直流侧中点电位波动问题，通过改变正、负小矢量作用时间，实现直流侧中点电位平衡控制。
1、二极管箝位型
三电平逆变器工作原理图 1 为二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构。直流侧由两个滤波电容( 1 2 C、C )构成，逆变侧每相桥臂由四个功率开关器件( 1 4 ~ x x S S )、四个续流二极管以及两个箝位二极管(Dx1 ~ Dx2)构成，其中开关对x1 x3 S 、S 和x2 x4 S 、S 的开关状态互补(x = a、b、c)。
三电平逆变器每相桥臂可以输出0 d d +E 、、? E 三种电压，用1、0、?1标识这三种电压输出时的开关状态。三相桥臂经组合后，共有27 种开关状态。
2、简化的SVPWM 控制算法
传统的三电平 SVPWM 控制，往往将一个扇区划分为四个小三角形区域，进而根据参考电压矢量所在区域，计算有效矢量作用时间。由于需要对24 个小三角形分别求解，计算量非常大。而运用简化的三电平SVPWM 控制算法，通过坐标平移，将参考电压矢量修正到两电平平面中，同时易于实现中点电位控制。
三电平电压空间矢量图可以看作由六个两电平电压空间矢量所构成的小六边形叠合而成[4]，每个小六边形以三电平电压空间矢量图中小矢量的顶点作为中心，字母S 表示小六边形号如图3所示(S =1 ~ 6)。
图4 为S =1时参考电压矢量修正图。再依次将有效矢量和零矢量进行坐标平移，整个研究便完全转化到两电平电压空间矢量平面中。所在扇区号。再根据伏秒平衡原理确定合成所需的主矢量、次矢量和零矢量的作用时间。值的注意的是，两电平SVPWM算法向三电平平面推广时，要对V ref的α、β 分量_ ref Vα 和_ ref Vβ 值进行修正，同时dc V 应用13 d E 代替，其中d E 是三电平变换器直流侧电压。
3、中点电位平衡控制
3.1 中点电位波动原因
由于箝位型三电平逆变器自身拓扑结构缺陷，存在直流侧中点电位波动问题。中点电位的波动会导致输出电压谐波含量上升，功率开关器件承压不均，电容寿命减短，对整个装置危害极大。NPC 型三电平逆变器直流侧中点电位存在波动，一方面是由于两个滤波电容1 C 、2 C 实际参数存在偏差;另一方面，电容和负载之间不同的连接状态，变化的中点电流对电容1 C 、2 C 不同程度的充、放电，从而造成中点电位波动。图5 显示出了三电平逆变器工作在不同开关状态下，直流电容与负载的七种连接情况。
由图5可以看出，中点电位波动与中点电流的大小和方向密切相关，因此，选取不同的电压空间矢量来合成参考电压矢量，对中点电位的影响不同。通过分析可以得出：大矢量对中点电位无影响;当直流侧电容参数有偏差时，中矢量会造成中点电位波动;小矢量的作用必然会引起中点电位波动。不同开关状态对应的冗余小矢量，产生的中点电流方向相反，对中点电位的作用效果相反。我们将使电容1 C 放电、2 C 充电，中点电位上升的`小矢量称为正组小矢量;反之，将使得中点电位下降的小矢量称为负组小矢量。
3.2 中点电位平衡控制算法
1)参考电压矢量位于重叠区域当参考电压矢量位于两个小六边形重叠区域时，可以运用改变S 值法，改变正、负冗余小矢量的作用时间，抑制中点电位波动。
4、仿真研究
为验证文中 SVPWM 控制算法的正确性，在Matlab/Simulink 环境下，搭建三电平逆变器控制系统仿真模型，负载接三相对称阻感负载。仿真参数设置为：直流电压U = 540V ，母线电容C = 4700μ F ，开关频率2 cf = KHz，负载电阻R = 0.7Ω，负载电感L = 0.08H 。
图7 为SVPWM 控制仿真模块，主要由：小六边形号判定模块、参考电压修正模块、扇区确定模块、作用时间计算模块以及PWM 生成模块组成。
当参考电压给定为200V，频率为50Hz 时，三电平逆变器输出相电压、相电流仿真波形如图8 所示。从图中可以看出，逆变器采用简化的SVPWM 控制后，输出相电压为九阶梯波，逼近于正弦，du / dt 跳变小。由于电压谐波畸变率低，降低了电机的噪声、温升以及对绕组绝缘的影响。图9 为中点电位波形，可以看出直流侧中点电位波动正负对称并且小于3V。
5、结论
本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出了一种易于编程实现的简化的三电平SVPWM 控制算法。针对三电平拓扑结构存在的中点电位波动问题，分析了中点电位波动的原因和抑制方法。仿真结果验证了该控制算法的优越性，输出电压波形接近于正弦，所含谐波少，同时中点电位波动性小。因此，基于简化的SVPWM 算法的三电平变换器在高压大功率工业场合具有广阔的应用前景。
[参考文献] (References)
[1] 竺伟,陈伯时.变频调速技术[J],电工技术杂志,1999,5(3):26-28.
[2] 刘智超,吴学智,黄立培.多电平变换器发展现状及其实现[J].自动化博览,2003,(1):162-165.
[3] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A New Neutral-point Clamped PWM Inverter[J].IEEE Trans. on IndustrialApplication,1981,17(5):518-523.
[4] 韩耀飞,谭国俊,侯周峰,等.基于简化三电平SVPWM 算法的逆变器研究[J].电力电子技术,2008,42(1):6-8.
[5] 何凤有,马秀丽,李娜,等.一种简化的SVPWM算法在二极管中点箝位式三电平逆变器中的应用[J].电气技术, 2008,12:42-45.
[6] 姜卫东,王群京,陈权.考虑中点电压不平衡的中点箝位型三电平逆变器空间矢量调制方法[J].中国电机工程学报,2008,28(30):20-25
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