李銀玲，唐允寶，劉 鵬

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌 330013）

1 引言

多電平逆變器由于具有輸出容量大、電壓諧波含量少、適用于中高壓大功率場合等優(yōu)點而廣泛應用于鋼鐵冶金、石油化工、軌道交通等工業(yè)場合［1-2］。但同時其產生的共模電壓也帶來了嚴重的負面效應：耦合電容產生軸電壓，損壞軸承；高速開關產生很強的電磁干擾（EMI），干擾其它電子設備正常運行；共模電壓還會引起電機絕緣擊穿，縮短電機使用壽命［3］。與SPWM調制方法相比，SVPWM技術以其易于數字化實現、電壓利用率高等優(yōu)點而在共模電壓消除中得到了廣泛應用。

三電平逆變器空間矢量脈沖寬度調制技術對共模電壓的抑制，采用Matlab/Simulink進行仿真，并給出仿真結果。驗證了控制策略的有效性，并可以推廣到具有奇數的多電平結構中。

2 三電平逆變器拓撲結構及其共模電壓

2.1 三電平逆變器的拓撲結構及工作原理

采用二極管箝位型三電平逆變器，拓撲結構如圖1所示。每一相均由2個直流分壓電容C1=C2、4個主開關管、4個續(xù)流二極管和2個箝位二級管組成。與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，二極管箝位三電平逆變器具有降低電磁干擾（EMI）和du/dt、減少開關損耗、提高系統(tǒng)可靠性等優(yōu)點。假設電路中器件均為理想器件，由圖1可以看出（以A相為例），當開關管Sa1、Sa2同時導通Sa3、Sa4同時關斷時，輸出端A對O點的電平為Udc/2；當Sa2、Sa3同時導通Sa1、Sa4同時關斷時，輸出端A對O點的電平為0；當開關Sa3、Sa4同時導通Sa1、Sa2同時關斷時，輸出端A對O點的電平為-Udc/2。

圖1 二極管箝位三電平逆變器

因此，逆變器每相輸出電壓均有三種不同的輸出電位，相電壓分別為Udc/2、0、-Udc/2。

2.2 三電平逆變器輸出的共模電壓

三電平逆變器，與傳統(tǒng)兩電平逆變器有著相類似的性質，同樣存在著共模電壓。共模電壓定義形式仍與兩電平相似，其表達式為：

式中：VA、VB、VC為逆變器每一相輸出電壓；Vcm為逆變器產生的共模電壓。

由上式可知：在電機驅動系統(tǒng)中，若三相對稱交流電直接作用電機定子繞組，則繞組中點對地共模電壓為零，系統(tǒng)不存在由共模電壓帶來的危害；若電機由電壓源型PWM逆變器供電，由于逆變器是由多個開關高頻切換來產生輸出電壓，所以輸出電壓中包含正序、負序和零序分量（即共模電壓）。共模電壓的大小由逆變器中開關管的通斷狀態(tài)確定。

3 SVPWM控制策略及仿真實現

3.1 降低共模電壓的SVM算法

傳統(tǒng)三電平SVM算法沿用了類似兩電平的算法，就是將整個矢量空間劃分為6個大扇區(qū)，即扇區(qū)I-VI，然后再將每個扇區(qū)細分為4個小區(qū)，進行參考矢量合成。降低共模電壓的SVM算法與傳統(tǒng)SVM算法區(qū)別不僅在于把原來的6個大扇區(qū)細分為6個小區(qū)，以提高仿真的準確性，而且將開關狀態(tài)限制在一個范圍內，如圖2所示。邏輯法逐層遞進，直到判斷出參考矢量所在的小區(qū)域。

圖2 SVM算法中小區(qū)域判斷

若將三電平逆變器的開關狀態(tài)分別設為1、0、-1，定子繞組中性點和電源的中點之間的電壓可以用公式表示為：

三電平逆變器的33=27個矢量狀態(tài)和vsn的幅值表示如表1所示。

表1 矢量狀態(tài)和共模電壓幅值表

由式（2）和表1可知：vsn有7個電平，分別為0，。在上述所示的這個矢量表中如果只選擇 （1，1，1）、（-1，-1，-1）、（1，1，0）、（1，0，1）、（0，1，1）、（-1，-1，0）、（-1，0，-1）、（0，-1，-1），除外開關狀態(tài)去合成參考矢量，也就是選擇三個開關狀態(tài)之和絕對值要≤1的矢量狀態(tài)［4］。共模電壓幅值絕對值就可以限制在≤Udc/6的范圍。下面采用仿真手段說明。圖3中，a為6個小區(qū)域的判斷即為圖2的仿真模塊，b為SVM算法分步計算封裝模塊。

仿真條件：采用Matlab7.4軟件。Udc=600V，Freq=10kHz，f=50Hz，負載為 R=1Ω，L=1mH。圖 4為仿真后逆變器輸出波形，其中（a）為線電壓波形，（b）為相電壓波形，（c）為共模電壓波形。和兩電平相比，三電平逆變器相電壓多出一個電平；線電壓更接近正弦波，諧波含量降低；共模電壓幅值為±Udc/6和0，相對傳統(tǒng)的SVM下共模電壓幅值±Udc/3、±Udc/6、0，幅值最大值降低了一半，從而減少了共模電壓帶來的負面效應。

3.2 消除共模電壓SVM仿真算法

上述SVM算法雖然可以降低共模電壓的幅值，但由于并未完全消除共模電壓，所以其負面危害仍然存在。在表1的27種矢量狀態(tài)中，有7種狀態(tài)不產生共模電壓，即（1，0，-1）、（0，1，-1）、（-1，1，0）、（-1，0，1）、（0，-1，1）、（1，-1，0）、（0，0，0）。如果將開關狀態(tài)限制在這7種中，理論上三電平逆變器將不產生共模電壓［4-5］。具體實現方法是：先進行6個大扇區(qū)的判斷；然后進行小扇區(qū)的判斷和時間數值的計算；最后是選擇矢量相臨近的零矢量的開關狀態(tài)合成參考矢量。仿真條件與上面相同，仿真結果如圖5所示。由圖5（c）可以看出，共模電壓的幅值約為0，達到了消除共模電壓的目的。

圖3 三電平逆變器仿真模塊

4 仿真結果比較

圖4 降低共模電壓的SVM下逆變器仿真波形

圖5 消除共模電壓SVM逆變器仿真波形

圖6 線電壓FFT分析

三電平逆變器通過適當調整控制策略可以達到抑制共模電壓的目的。為了對比分析仿真結果，本文將三電平逆變器兩種抑制共模電壓SVM算法和三電平傳統(tǒng)SVM算法進行比較，仿真條件相同。圖6為不同控制策略下逆變器輸出線電壓FFT。由圖看出：消除共模電壓SVM策略抑制效果最明顯，共模電壓幾乎為零，但以諧波含量的增大和直流電壓利用率的降低為代價，其諧波含量達到了179.16%。表2可以明顯看出，降低共模電壓SVM策略雖然并未完全消除共模電壓，但仍降低到±Udc/6范圍內，大大減少共模電壓的負面危害，而諧波含量雖比傳統(tǒng)三電平SVM策略略高一些，但遠小于消除共模電壓SVM調制，綜合性能相對較好。

表2 算法比較

總之，降低共模電壓SVM策略和消除共模電壓SVM策略在共模電壓抑制方面效果十分顯著。仿真手段驗證了方法的有效性，不同策略對比中得出降低共模電壓的SVM策略是整體上最為理想方法的結論。

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