一种简化的三电平逆变器SVPWM控制方法

关键词：空间电压矢量调制(SVPWM)；多电平逆变器；中点电位偏移。 中图分类号：TM464 文献标识码：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 目前较多使用的三电平PWM方法为基于载波的PWM技术和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。由于SVPWM控制较灵活，开关损耗较小，并且易于数字实现，直流电压利用率高，所以得到了广泛的使用。如今有多种三电平SVPWM方法被提出，但多是采用从空间矢量图中寻找参考电压矢量所在的小三角形并计算作用时间的方法，[1]这使 SVPWM算法在用于更高电平时复杂化。而且，三电平二极管嵌位电路存在着固有的直流侧电容电压不平衡问题，它将导致输出电压中包含偶次谐波，这也是PWM算法中必须考虑的。[2] 针对上述问题，本文提出了一种简化的SVP - WM算法，将三电平参考电压矢量转化至两电平空间矢量区，从而可以利用已有的成熟的两电平 SVPWM技术直接进行调制。另外，根据电容电压偏差和负载的状态，采用一定的中点电位控制技术维持了电容电压平衡。 2 简化的三电平逆变电路SVPWM算法 图1为一二极管嵌位型三电平逆变器的主电路结构图。其中每相桥臂都有三种开关状态，从而有三种开关变量：2，1，0。因此三电平逆变器共有27个开关状态，分别对应着19个不同的空间电压矢量，包括6个大矢量，6个中矢量，6对小矢量，以及含有3个冗余开关状态的零矢量，如图2(a)所示。表1则示出了三电平逆变器A相的开关状态。 E为直流电压。 图2 三电平空间矢量图和二电平空间矢量图 本文将三电平空间矢量图分成7个六边形(即二电平空间矢量区)。图3示出了划分方法，已经考虑了中点电容电压控制的要求(后文将作具体阐述)，其中的数值即为各小三角区所属的二电平空间矢量分区号。这7个区分别以零矢量和6个小矢量作为中心点。 图3 三电平空间矢量图的简化方式根据图3，各区的判断规则如下： 得到两电平参考矢量后，即可按照两电平空间矢量调制方法判断所属扇区，确定输出矢量组，并根据伏妙平衡原则计算各矢量作用时间，各矢量作用时间计算公式如下： 确定输出矢量顺序时，为了减少开关损耗，逆变器每次只有一条支路的器件发生通断动作，且不允许有2和0状态的直接跳变。再者考虑到避免扇区突变，每个输出矢量组都是以零矢量(0，0，0)作为开始和结束的矢量。 根据上述步骤得到了该二电平参考矢量相应的输出矢量组。而后加上对应的基准矢量的开关变量，就是所要输出的三电平参考矢量的输出矢量组。三电平矢量空间中2号二电平矢量区的开关模式见表3。其他各区同理可得。 3 中点电位控制 三电平二极管嵌位型逆变电路存在着固有的直流侧电容电压不平衡问题(Capacitor Vortage Unbalance，简称CVU)，若对其不加以控制，会造成输出电压波形的畸变，并且可能会令部分开关器件承受过高的电压应力而破坏。CVU产生的原因是因为各矢量引起的中点电流会导致中点电位的振荡。而在各矢量中，中矢量将相电流与中点电位联系了起来，使得中点电位要部分的取决于负荷情况，所以它们是CVU产生的重要原因。[3]但是大矢量和零矢量并不会影响中点电位。而一对小矢量中的正、负模式矢量虽然会产生相反的中点电流，但是对输出电压的作用是等效的，所以可以通过调节正、负小矢量的作用时间来实现中点电位的平衡。 各矢量产生的中点电流可由下式求出： 4 三电平SVPWM控制仿真结果 本文利用MATLAB中的电力系统仿真库进行了仿真，仿真结果如下。图5为仿真用的系统框图。 上图是逆变器输出线电压波形。在0．08s之后，波形都发生严重畸变，但是经过中点电位控制后的波形相对更加接近五电平阶梯波。 这两幅为上下电容电压差值变化波形。从图中可以看出经过控制后的上下电容电压差值的最大值更小，而且基本是以x轴为中线上下变化的，未经控制的电容电压差值则逐渐增大。 5 五电平SVPWM控制的实现及其仿真 上述方法还可用于多电平SVPWM控制，以五电平SVPWM控制为例。先将参考电压进行3／2变换，然后依照三电平SVPWM方法将五电平空间矢量图划分为7个三电平空间矢量区，判断参考电压所处三电平空间矢量分区，然后即可应用上述三电平SVPWM控制方法，确定输出矢量组及其作用时间。图8为仿真波形，采用开环控制，假定电容电压保持平衡。 6 结论 本文提出的简化的三电平SVPWM算法，经过参考电压转换后，可以直接使用已有二电平 SVPWM算法来确定输出矢量组及其作用时间，该方法理论上可应用于各种电平数目及拓扑结构。而相应的中点电位控制方法，则可以实现平衡电容中点电位的目的。 参考文献 [1] 宋强，刘文华，姜齐荣，等．基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法[J]．电力系统自动化，2002，26 (20)：35～38． [2] 刘亚东，黄立培．三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[J]．电工电能新技术，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]吴洪洋．多电平变换器及其相关技术研究[B]．浙江：浙江大学博士学位论文，2001．