關鍵詞：空間電壓矢量調制(SVPWM)；多電平逆變器；中點電位偏移。 中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A A Simplified SVPWM Method of Three - level Inverter YANG Xiao-ping, ZHANG Yi,WU Cheng-lin, MENG Yah-hi (Xi an niversity of technology, Xi an 710048, China) Abstract:Space - vector PWM has been used widely in control of multi - level inverters, but there s a disadvantage that the control arithmetic will be more complicated if the number of level increases. This paper presents a simplified three - level SVPWM which can use two - level SVPWM method and also be used in multi - level PWM above three. Moreover, the corresponding midpoint - voltage control method has been put forward to solve inherent midpoint - voltage excursion of three - level diode- clamped inverter. At last, simu- lation results proved the feasibility of given control arithmetic. Key words: space - vector PWM; multi - level inverter; midpoint - voltage excursion 1 引言 目前較多使用的三電平PWM方法為基于載波的PWM技術和空間矢量脈寬調制(SVPWM)。由于SVPWM控制較靈活，開關損耗較小，并且易于數字實現，直流電壓利用率高，所以得到了廣泛的使用。如今有多種三電平SVPWM方法被提出，但多是采用從空間矢量圖中尋找參考電壓矢量所在的小三角形并計算作用時間的方法，[1]這使 SVPWM算法在用于更高電平時復雜化。而且，三電平二極管嵌位電路存在著固有的直流側電容電壓不平衡問題，它將導致輸出電壓中包含偶次諧波，這也是PWM算法中必須考慮的。[2] 針對上述問題，本文提出了一種簡化的SVP - WM算法，將三電平參考電壓矢量轉化至兩電平空間矢量區，從而可以利用已有的成熟的兩電平 SVPWM技術直接進行調制。另外，根據電容電壓偏差和負載的狀態，采用一定的中點電位控制技術維持了電容電壓平衡。 2 簡化的三電平逆變電路SVPWM算法 圖1為一二極管嵌位型三電平逆變器的主電路結構圖。其中每相橋臂都有三種開關狀態，從而有三種開關變量：2，1，0。因此三電平逆變器共有27個開關狀態，分別對應著19個不同的空間電壓矢量，包括6個大矢量，6個中矢量，6對小矢量，以及含有3個冗余開關狀態的零矢量，如圖2(a)所示。表1則示出了三電平逆變器A相的開關狀態。 E為直流電壓。 圖2 三電平空間矢量圖和二電平空間矢量圖 本文將三電平空間矢量圖分成7個六邊形(即二電平空間矢量區)。圖3示出了劃分方法，已經考慮了中點電容電壓控制的要求(后文將作具體闡述)，其中的數值即為各小三角區所屬的二電平空間矢量分區號。這7個區分別以零矢量和6個小矢量作為中心點。 圖3 三電平空間矢量圖的簡化方式根據圖3，各區的判斷規則如下： 得到兩電平參考矢量后，即可按照兩電平空間矢量調制方法判斷所屬扇區，確定輸出矢量組，并根據伏妙平衡原則計算各矢量作用時間，各矢量作用時間計算公式如下： 確定輸出矢量順序時，為了減少開關損耗，逆變器每次只有一條支路的器件發生通斷動作，且不允許有2和0狀態的直接跳變。再者考慮到避免扇區突變，每個輸出矢量組都是以零矢量(0，0，0)作為開始和結束的矢量。 根據上述步驟得到了該二電平參考矢量相應的輸出矢量組。而后加上對應的基準矢量的開關變量，就是所要輸出的三電平參考矢量的輸出矢量組。三電平矢量空間中2號二電平矢量區的開關模式見表3。其他各區同理可得。 3 中點電位控制 三電平二極管嵌位型逆變電路存在著固有的直流側電容電壓不平衡問題(Capacitor Vortage Unbalance，簡稱CVU)，若對其不加以控制，會造成輸出電壓波形的畸變，并且可能會令部分開關器件承受過高的電壓應力而破壞。CVU產生的原因是因為各矢量引起的中點電流會導致中點電位的振蕩。而在各矢量中，中矢量將相電流與中點電位聯系了起來，使得中點電位要部分的取決于負荷情況，所以它們是CVU產生的重要原因。[3]但是大矢量和零矢量并不會影響中點電位。而一對小矢量中的正、負模式矢量雖然會產生相反的中點電流，但是對輸出電壓的作用是等效的，所以可以通過調節正、負小矢量的作用時間來實現中點電位的平衡。 各矢量產生的中點電流可由下式求出： 4 三電平SVPWM控制仿真結果 本文利用MATLAB中的電力系統仿真庫進行了仿真，仿真結果如下。圖5為仿真用的系統框圖。 上圖是逆變器輸出線電壓波形。在0．08s之后，波形都發生嚴重畸變，但是經過中點電位控制后的波形相對更加接近五電平階梯波。 這兩幅為上下電容電壓差值變化波形。從圖中可以看出經過控制后的上下電容電壓差值的最大值更小，而且基本是以x軸為中線上下變化的，未經控制的電容電壓差值則逐漸增大。 5 五電平SVPWM控制的實現及其仿真 上述方法還可用于多電平SVPWM控制，以五電平SVPWM控制為例。先將參考電壓進行3／2變換，然后依照三電平SVPWM方法將五電平空間矢量圖劃分為7個三電平空間矢量區，判斷參考電壓所處三電平空間矢量分區，然后即可應用上述三電平SVPWM控制方法，確定輸出矢量組及其作用時間。圖8為仿真波形，采用開環控制，假定電容電壓保持平衡。 6 結論 本文提出的簡化的三電平SVPWM算法，經過參考電壓轉換后，可以直接使用已有二電平 SVPWM算法來確定輸出矢量組及其作用時間，該方法理論上可應用于各種電平數目及拓撲結構。而相應的中點電位控制方法，則可以實現平衡電容中點電位的目的。 參考文獻 [1] 宋強，劉文華，姜齊榮，等．基于參考電壓分解的新型多電平逆變器空間矢量調制方法[J]．電力系統自動化，2002，26 (20)：35～38． [2] 劉亞東，黃立培．三電平電壓型逆變器空間矢量調制算法的研究[J]．電工電能新技術，2002．10,21(4)：15～19． [3] Nikola Celanovic, and Dushan Boroyevich. A ComprehensiveStudy of Neutral - Point Voltage Balancing Problem in Three - level Neutral- Point- Clamped Voltage Source PWM Inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2000, 15 (2) : 242～249. [4]吳洪洋．多電平變換器及其相關技術研究[B]．浙江：浙江大學博士學位論文，2001．