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三電平逆變器簡化SVPWM 控制算法仿真研究
摘要：本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎上，提出了一種新穎的、易于編程實現的簡化三電平SVPWM 控制算法。同時，針對三電平拓撲結構固有的中點電位波動問題，分析中點電位波動的原因和抑制方法。基于Matlab/Simulink 平臺，仿真結果驗證了該控制算法的優越性，輸出電壓波形接近正弦，中點電位平衡。
關鍵詞： 三電平逆變器;SVPWM;中點電位控制
0、引言
目前，隨著高壓變頻調速技術的發展，多電平變換器耐壓水平高、通流能力強，主要應用于礦井提升、風力發電、有源電力濾波器等高壓大功率領域。與兩電平成熟的拓撲結構相比，多電平變換器拓撲結構難于統一，其中交直交電壓型多電平變換器可分為中點箝位型(NPC 型)和單元串聯型兩大類[1]。而二極管箝位型三電平拓撲結構，由于所需功率器件少、開關頻率低、輸出波形階梯數高、du / dt 小、以及易于實現高性能控制等優勢，應用最為廣泛。
本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎上，提出一種新穎的電壓空間矢量PWM 控制算法。該算法運用熟悉的兩電平SVPWM 實現流程，易于數字化實現。同時，針對三電平逆變器直流側中點電位波動問題，通過改變正、負小矢量作用時間，實現直流側中點電位平衡控制。
1、二極管箝位型
三電平逆變器工作原理圖 1 為二極管箝位型三電平逆變器拓撲結構。直流側由兩個濾波電容( 1 2 C、C )構成，逆變側每相橋臂由四個功率開關器件( 1 4 ~ x x S S )、四個續流二極管以及兩個箝位二極管(Dx1 ~ Dx2)構成，其中開關對x1 x3 S 、S 和x2 x4 S 、S 的開關狀態互補(x = a、b、c)。
三電平逆變器每相橋臂可以輸出0 d d +E 、、? E 三種電壓，用1、0、?1標識這三種電壓輸出時的開關狀態。三相橋臂經組合后，共有27 種開關狀態。
2、簡化的SVPWM 控制算法
傳統的三電平 SVPWM 控制，往往將一個扇區劃分為四個小三角形區域，進而根據參考電壓矢量所在區域，計算有效矢量作用時間。由于需要對24 個小三角形分別求解，計算量非常大。而運用簡化的三電平SVPWM 控制算法，通過坐標平移，將參考電壓矢量修正到兩電平平面中，同時易于實現中點電位控制。
三電平電壓空間矢量圖可以看作由六個兩電平電壓空間矢量所構成的小六邊形疊合而成[4]，每個小六邊形以三電平電壓空間矢量圖中小矢量的頂點作為中心，字母S 表示小六邊形號如圖3所示(S =1 ~ 6)。
圖4 為S =1時參考電壓矢量修正圖。再依次將有效矢量和零矢量進行坐標平移，整個研究便完全轉化到兩電平電壓空間矢量平面中。所在扇區號。再根據伏秒平衡原理確定合成所需的主矢量、次矢量和零矢量的作用時間。值的注意的是，兩電平SVPWM算法向三電平平面推廣時，要對V ref的α、β 分量_ ref Vα 和_ ref Vβ 值進行修正，同時dc V 應用13 d E 代替，其中d E 是三電平變換器直流側電壓。
3、中點電位平衡控制
3.1 中點電位波動原因
由于箝位型三電平逆變器自身拓撲結構缺陷，存在直流側中點電位波動問題。中點電位的波動會導致輸出電壓諧波含量上升，功率開關器件承壓不均，電容壽命減短，對整個裝置危害極大。NPC 型三電平逆變器直流側中點電位存在波動，一方面是由于兩個濾波電容1 C 、2 C 實際參數存在偏差;另一方面，電容和負載之間不同的連接狀態，變化的中點電流對電容1 C 、2 C 不同程度的充、放電，從而造成中點電位波動。圖5 顯示出了三電平逆變器工作在不同開關狀態下，直流電容與負載的七種連接情況。
由圖5可以看出，中點電位波動與中點電流的大小和方向密切相關，因此，選取不同的電壓空間矢量來合成參考電壓矢量，對中點電位的影響不同。通過分析可以得出：大矢量對中點電位無影響;當直流側電容參數有偏差時，中矢量會造成中點電位波動;小矢量的作用必然會引起中點電位波動。不同開關狀態對應的冗余小矢量，產生的中點電流方向相反，對中點電位的作用效果相反。我們將使電容1 C 放電、2 C 充電，中點電位上升的小矢量稱為正組小矢量;反之，將使得中點電位下降的小矢量稱為負組小矢量。
3.2 中點電位平衡控制算法
1)參考電壓矢量位于重疊區域當參考電壓矢量位于兩個小六邊形重疊區域時，可以運用改變S 值法，改變正、負冗余小矢量的作用時間，抑制中點電位波動。
4、仿真研究
為驗證文中 SVPWM 控制算法的正確性，在Matlab/Simulink 環境下，搭建三電平逆變器控制系統仿真模型，負載接三相對稱阻感負載。仿真參數設置為：直流電壓U = 540V ，母線電容C = 4700μ F ，開關頻率2 cf = KHz，負載電阻R = 0.7Ω，負載電感L = 0.08H 。
圖7 為SVPWM 控制仿真模塊，主要由：小六邊形號判定模塊、參考電壓修正模塊、扇區確定模塊、作用時間計算模塊以及PWM 生成模塊組成。
當參考電壓給定為200V，頻率為50Hz 時，三電平逆變器輸出相電壓、相電流仿真波形如圖8 所示。從圖中可以看出，逆變器采用簡化的SVPWM 控制后，輸出相電壓為九階梯波，逼近于正弦，du / dt 跳變小。由于電壓諧波畸變率低，降低了電機的噪聲、溫升以及對繞組絕緣的影響。圖9 為中點電位波形，可以看出直流側中點電位波動正負對稱并且小于3V。
5、結論
本文在介紹二極管箝位型三電平逆變器工作原理基礎上，提出了一種易于編程實現的簡化的三電平SVPWM 控制算法。針對三電平拓撲結構存在的中點電位波動問題，分析了中點電位波動的原因和抑制方法。仿真結果驗證了該控制算法的優越性，輸出電壓波形接近于正弦，所含諧波少，同時中點電位波動性小。因此，基于簡化的SVPWM 算法的三電平變換器在高壓大功率工業場合具有廣闊的應用前景。
[參考文獻] (References)
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[2] 劉智超,吳學智,黃立培.多電平變換器發展現狀及其實現[J].自動化博覽,2003,(1):162-165.
[3] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A New Neutral-point Clamped PWM Inverter[J].IEEE Trans. on IndustrialApplication,1981,17(5):518-523.
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[5] 何鳳有,馬秀麗,李娜,等.一種簡化的SVPWM算法在二極管中點箝位式三電平逆變器中的應用[J].電氣技術, 2008,12:42-45.
[6] 姜衛東,王群京,陳權.考慮中點電壓不平衡的中點箝位型三電平逆變器空間矢量調制方法[J].中國電機工程學報,2008,28(30):20-25
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