肖 瀟，宋平崗，喻 沖

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌 330013）

二極管三電平逆變器在中高壓交流電機傳動，電網(wǎng)無功補償?shù)榷鄠€領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。與兩電平拓撲相比，具有如下優(yōu)點：1很好的解決了器件耐壓不夠高的問題；2輸出相電壓和線電壓更接近正弦波；3在相同的頻率下，輸出諧波含量大幅降低。

電壓空間矢量PWM調(diào)制方法是通過對開關(guān)矢量的選擇以及開關(guān)矢量作用時間的計算來實現(xiàn)的。本文以三電平逆變器為研究對象，對其采用SVPWM調(diào)制方法，并進行仿真研究。

1 NPC三電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

圖1所示為二極管箝位型三電平逆變器主電路，Udcc為直流電壓；Smn（m=a，b，c；n=1，2，3，4）為開關(guān)管。 Dj（j=1，2，3，4，5，6）為二極管。其每一相可以輸出電壓為Udc/2，0，-Udc/2的3種電平。以a相為例，其開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和輸出電平的關(guān)系見表1。

表1 A相開關(guān)管狀態(tài)表Tab.1 Switching variables of phase A

由圖1和表1分析可知，主開關(guān)管Sa1和Sa4不能同時導(dǎo)通，否則4個開關(guān)管將短路，且Sa1和Sa3，Sa2和Sa4的工作狀態(tài)剛好相反，即工作在互補狀態(tài)，平均每個主開關(guān)所承受的正相阻斷電壓為Udc/4。

2SVPWM調(diào)制原理

2.1 三電平逆變器空間矢量分析

對于通用的兩電平逆變器，工作狀態(tài)只有23=8種，而三電平逆變器有33=27種?？捎肞，O，N表示直流側(cè)電源的3種電位，P表示+Udc/2，O表示零電位，N表示-Udc/2。用該3個字母表示三電平逆變器在此工作狀態(tài)下三相輸出端A，B，C分別與直流側(cè)電源哪一電位點相連。如有PPP，OPN，NPN等27種工作狀態(tài)。

若定義開關(guān)向量Sa，Sb，Sc代表各相橋臂的輸出狀態(tài)，則此時可定義空間電壓矢量為

同理，可計算得其它開關(guān)矢量。按幅值大小來分，共有6個幅值為Udc的大矢量，6個幅值為2Udc/3的中矢量，12個幅值為Udc/2的小矢量，3個零矢量。

將這些矢量在二維平面上進行排列，則在α-β平面上的系統(tǒng)的空間矢量如圖2所示。如不計重合矢量，獨立的矢量只有19個。

2.2 矢量作用時間計算

式中：Ts為采樣周期；Ta，Tb，Tc分別為矢量Va，Vb，Vc對應(yīng)的作用時間。因此由以上的公式可以求出各個矢量的作用時間，求得每個小區(qū)間內(nèi)矢量的作用時間表。如圖3所示，當(dāng)矢量位于第一扇區(qū)中的A小區(qū)間時，A小區(qū)間內(nèi)V0由，V10，V20三個基本矢量組成，由上述公式可知

3仿真實現(xiàn)

3.1 判斷Vref所在扇區(qū)

3.2 判斷Vref所在區(qū)間

3.3 確定基本矢量的作用順序

在三電平逆變器SVPWM方法中，為了防止兩個串聯(lián)的開關(guān)管同時導(dǎo)通或關(guān)斷，以及減少開關(guān)次數(shù)，開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換必須滿足下列要求：

1）同一橋臂不允許N狀態(tài)直接切換到P狀態(tài)。

2）從一個開關(guān)狀態(tài)到下一個開關(guān)狀態(tài)，三相橋臂只允許一相有開關(guān)動作。因為如果有兩相或者三相的橋臂同時作用，會在線電壓的半周期內(nèi)出現(xiàn)反極性的脈沖，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，引起脈動。

為此通常采用輸出矢量的首發(fā)矢量均采用正小矢量或者負小矢量的算法，本文采用的是首發(fā)矢量為正小矢量。正小矢量和負小矢量分別指開關(guān)狀態(tài)只有P，O或者N，O狀態(tài)的小矢量?；谏鲜龅脑瓌t，借鑒二電平采用中心對稱7段式脈沖系列，將Ts分為7段，以B區(qū)間為例，矢量作用順序為POO，PON，OON，ONN，OON，PON，POO，作用時間分別為Ta/4，Tb/2，Tc/2，Ta/2，Tc/2，Tb/2，Ta/4。

3.4 跳變時間的計算

根據(jù)每個區(qū)間的矢量作用順序和作用時間，畫出該區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)的波形圖。圖4為第一扇區(qū)B區(qū)間內(nèi)參考電壓的輸出電壓矢量時序圖。由圖4可知3個開關(guān)的跳變時間分別為Ta/4，Ta/4+Tb/2，Ta/4+Tb/2+Tc/2，3Ta/4+Tb/2+Tc/2，3Ta/4+Tb/2+Tc，3Ta/4+Tb+Tc，Ta+Tb+Tc。

3.5仿真結(jié)果

用MATLAB軟件進行仿真，設(shè)采樣周期為0.01 s，直流側(cè)電壓Udc=200 V，負載電阻R=100 Ω，負載電感L=50×10-3H。圖5～圖8給出了調(diào)制比M分別為0.778時和0.389時，A相相電壓和線電壓波形。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，三電平逆變器的特點是由多個電壓等級合成的輸出電壓為正弦波形，并且當(dāng)調(diào)制比M＞0.5時，此時線電壓呈現(xiàn)五電平。當(dāng)調(diào)制比M≤0.5時，參考電壓在A區(qū)間，此時參考矢量由小矢量，零矢量組成，線電壓退化為三電平，即三電平逆變器吃時已退化為兩電平。

[1]楊超，陶生桂，謝維達.二極管箝位式多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)分析與控制策略研究[J].中國科技信息，2009（2）：25-29.

[2]宋文祥，陳國呈.三電平中點鉗位式逆變器SVPWM方法的研究[J].電工電能新技術(shù)，2005，32（3）：34-36.

[3]林磊，鄒云平，鐘和清.二極管箝位型三電平逆變器控制系統(tǒng)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）：33-39.

[4]程善美，姜文龍，孫文煥，等.SIMULINK環(huán)境下空間矢量PWM的仿真[J].電氣自動化，2002（3）：39-41.

[5]田玉超，劉勇，叢望.SVPWM控制三電平逆變器算法研究[J].應(yīng)用科技，2005（3）：34-36.

[6]譚聰.三電平逆變器空間電壓矢量PWM調(diào)制及實現(xiàn)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[7]BAE J，KIM Y，BAEK S，et al.Astudy on the comparison methods for a three-level converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，3（2）：2-6.

[8]MENG Y，LIU Z，SU Y，et al.Study on mathematical model and Lyapunov—based control for three-phase four-wire three-level NPC voltage-source rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2005（2）：20-23.