基于SVPWM的三电平逆变器仿真研究

基于SVPWM的三电平逆变器仿真研究

宋飞 林桦

(华中科技大学电气与电子学院 武汉 430074)

摘 要: 本文简要介绍了二极管中点箝位型三电平逆变器的主电路及其中点电位不平衡的处理方法，分析了SVPWM控制原理，对所建立的基于SVPWM的三电平逆变器模型进行了仿真和分析。 关键词: 三电平 逆变器 SVPWM 仿真

Simulation Study of Three-Level Inverter Based on SVPWM

Song Fei ； Lin Hua

(College of Electric & Electron Engineering , Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: We briefly introduce the main circuit of diode-clamped three-level inverter and the balancing methods how to deal with the imbalance of midpoint’s level, and analyze the principle of SVPWM in this paper. Using the described models of three-level inverter which is based on SVPWM, we give a result of simulation and analysis.

Keywords: three-level; inverter; SVPWM; simulation

1. 引言

多电平逆变器具有功率开关电压应力低、功率器件串联均压、输出电压波形谐波含量低、du/dt和di/dt引起的电磁干扰小等优点，因而这种结构的变换器在高性能的中高压的变频调速、有源电力滤波装置、HVDC输电系统和电力无功补偿等中有着广泛的应用前景。

电压空间矢量调制控制法(SVPWM)的原则是逆变器瞬时输出三相脉冲电压构成的电压空间矢量与届时所期望输出三相对称正弦波电压构成的电压空间矢量相等效，而它的幅角按与脉冲频率有关的一定时间间隔均匀跳变，即平均角速度与期望的圆旋转矢量角速度相等。

关，B相VFB3、VFB2为分别与VFB1、VFB4互补的开关，C相VFC3、VFC2为分别与VFC1、VFC4互补的开关。由于该逆变器在一个输出周期内能输出三种电平（Ui/2、0、-Ui/2）的电压波形，因而称为三电平逆变器（Three-lever Inverter，TL逆变器）。

二极管中点箝位型三电平逆变器主电路如下图1所示。

VFA1Cd1VFB2VDA1VFA2UiVDA2Cd2VFA3VFA4VDB2VFB3VFB4VDC2VDB1VDC1VFC3UabcVFC2VFB1VFC1VFC42 二极管中点箝位的三电平逆变器的主电路

二极管中点箝位型三电平逆变器最早是日本的Akira.Nabael教授在1980年的IAS年会上提出来的，之后，其独特的特性受到了广泛的关注和研究。这种逆变器是在二电平三相全桥逆变器中增添了两个分压电容Cd1、Cd2，并在A、B、C三相桥臂上分别增加了两个功率开关VFA2~VFA3、VFB2~VFB3、VFC2~VFC3和两个中点箝位二极管VDA1~VDA2、VDB1~VDB2、VDC1~VDC2得到的。其中A相VFA3、VFA2为分别与VFA1、VFA4互补的开 —————————

收稿日期：2004-10-08

图1 三电平逆变器主电路

3 SVPWM原理介绍

3.1 原理简介

SVPWM法就是用逆变器输出相电压的平均矢量去逼近某一空间电压矢量Vref。 Vref以某一角频率在空间旋转，当它旋转到六角空间电压矢量图的某个小区间时，系统选中该区间的基本电压矢量中所需的矢量，并以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控

34 船电技术 2005年 第2期 制矢量旋转到下一个小区间时，又选中对应区间的相应电压矢量，并以其对应的状态去驱动功率开关元件动作……。当控制矢量在空间旋转360º后，变频器就能输出一个周期的正弦波电压。

3.2 矢量图

六角形空间电压矢量图是利用空间电压矢量的概念来描述三电平PWM变频器输出电压内在关系的一种图形。

三电平PWM变频器能输出19种不同的基本空间电压矢量。除了(1个)零矢量外，其余18个矢量把圆周360度等分为12个小区间。每一个区间占30度的空间角度。在任何一个小区间内有最接近的三个基本电压矢量(含四种输出状态)供选择，零矢量为12个小区间所共有。这里我们将整个矢量图分为六个扇区，每个扇区又分为六个区域，如图3所示。

V(020)(120)(220)六角形空间电压矢量图中的每个扇区内只有四个基本电压矢量(含零矢量)供选择，它们的模分别是：V0＝0，VA＝E，VB＝2E，VC＝

3E，故很难直接满足合成参考电压矢量Vref

的要求。为了解决这个问题，系统采用在扇区内取电压矢量“等效”的办法来处理。即在采样周期Ts时间内适当选择四个基本电压矢量的部分或全部，届时恰当分配执行被选中的基本电压矢量的时间，并以被选中的各矢量的模乘以执行该矢量的时间之总和，对时间T取平均值。即：

V0×T0 + Va×T1 + Vb×T2+ Vc×T3 = Vref×Ts 式中V0、Va、Vb、Vc只取其模，并使

T0 + T1 + T2 + T3 = T 由于V0=0，得V0×T0=0，得

Vref= E×（T1 + 3T2 +2 T3）/ T

适当改变T0：T1：T2：T3的比值就可以改变输出电压矢量Vref的大小，即改变了输出电压。

3.4 中点电位不平衡处理方法

a) 直流侧电压检测，然后合理安排小矢量PWM脉冲的作用时间进行中点电位补偿。其基本思想是：由于在4类电压矢量中，大电压矢量和零电压矢量对中点电位没有影响；中电压矢量虽然对中点电位有影响，但其冗余度为1，没有选择余地；小电压矢量在中点处有电流流过，也即有能量流动，因此他会带来中点电位的不平衡。由于小矢量有两种开关状态，而且这两种开关状态对中点电位的影响刚好相反。因此，只要合理的安排两种小矢量的作用时间，就可以很好地平衡中点电压。 b) 直流侧电容电压检测和直流侧中点电流方向检测结合进行补偿的方式。与上述方法比较，增加了直流侧中点电流方向检测， 因此可实现能量双向流动的中点电位调整，而且不受功率因数影响。

c) 直流侧电容电压大小的检测和三相交流输出电流检测结合进行补偿的方法，计算出了具体的补偿时间。但该方法采样的数据比较多，计算量比较大，对软硬件要求较高。 d) 零序电压注入法。对所需注入零序电压进行准确解析计算，并揭示了三电平中点电位完全可控区域。基于零序电压注入的中点电位平衡问题分析及其控制算法，不仅适用于载波调制，而且采用基于零序电压等效的SVM波形控制方法，也可以应用于SVM控制。

(021)(010)(121)(110)(221)(210)(022)(011)(122)(222)(111)(000)(001)(112)(100)(211)(200)U(101)(212)(201)(012)(002)(102)(202)

图2 矢量图

234516312(b)465(a)

图3 扇区和区间

3.3 调制原理

改变每个30°小区间内被选中矢量的执行时间，也就方便的改变了变频器的输出频率。

船电技术 2005年 第2期 35

4. 仿真分析

本文通过建立的基于SVPWM的三电平逆变器的模型及同步电动机模型进行仿真，对中点电位的平衡方法，选取了3.4节中a条的处理方法，并对仿真波形进行了谐波分析。

从仿真波形中可以看出，电压型三电平逆变器的输出电压波形的谐波幅值比电流谐波幅值大，且其在低次谐波中最大幅值出现在6f±1次谐波幅值上，2f±1次谐波幅值相对较小。

5 结论

图4 输出相电压波形及谐波

综上所述，这种逆变器及其控制方式在很大程度上降低了低频谐波分量，从而减小了低频脉动转矩。与其他控制方式比较，多电平空间电压矢量PWM控制方式具有大范围调制比、内性能好、不需存储大量的角度数据、直流母线电压利用率高、应用广泛等优点。

参 考 文 献

[1] 崔俊国，陶生桂．高压大功率三点式逆变器抑制中点电

位偏移方法的仿真分析．CAVDl999

[2] Roberto Rojas, et al． An Improved Voltage Vector

Control Method for Neutral-Point-Clamped Inverters． IEEE Trans， Power E1ectrons，

图5 定子电流波形及谐波

1995，10(6)

[3] 宋强等. 基于零序电压注入的三电平NPC逆变器中点

电位平衡控制方法. 中国电机工程学报 2004年5月

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（上接第21页）

“舰用化”需要在以后的工作中，按科研的规律开展全面而细致的工作，逐一解决“相容性”问题，以满足舰船对推进电机的可靠性、电磁兼容性、抗冲击性、低振动噪声的各种高性能要求。因此，变频调速交流异步推进电动机的技术研究任重道远。

参 考 文 献

[1] 王保罗. 轧钢电气主传动各类方案的综合分析. 《中国

交流电机调速传动学术会议》论文集6，1999年10月 [2] 尚炳武. 2160热连轧变频调速电动机的技术分析. 大

电机技术,1996(5).

[3] 陆忠麒. 宝钢1580热连轧机大电机的合作生产. 大电

机技术,1997(4).

[4] 王庆春.现代交流变频大型同步电动机. 《变频同步机

技术讲座》内部资料