三电平逆变器简化SVPWM控制算法仿真研究.pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 三电平逆变器简化 SVPWM 控制算法仿真研究陈静，陈国振，孙国菊，张能* （中国矿业大学信电学院，江苏徐州 221008）摘要：本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出了一种新颖的、易于编程实现的简化三电平 SVPWM 控制算法。同时，针对三电平拓扑结构固有的中点电位波动问题，分析中点电位波动的原因和抑制方法。基于 Matlab/Simulink 平台，仿真结果验证了该控制算法的优越性，输出电压波形接近正弦，中点电位平衡。关键词：三电平逆变器；SVPWM；中点电位控制中图分类号：TM46 The Simulation Study on Simplified SVPWM Control Algorithm of Three-level Inverter CHEN Jing, CHEN Guozhen, SUN Guoju, ZHANG Neng (School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221008) Abstract: By introducing the basic principle of diode-clamped three-level inverter, a novel simplified space-vector pulse width modulation method is proposed in this paper, which is programmable easily. Meanwhile, in order to suppress the fluctuating of neutral-point voltage, the reason is analyzed and control method is given. Based on Matlab/Simulink platform, the superiority of this simplified SVPWM control algorithm is validated. The simulation results show that output voltage is close to sine wave and the neutral point voltage is balancing. Key words: Three-level inverter;SVPWM;Neutral-point voltage control 0 引言目前，随着高压变频调速技术的发展，多电平变换器耐压水平高、通流能力强，主要应用于矿井提升、风力发电、有源电力滤波器等高压大功率领域。与两电平成熟的拓扑结构相比，多电平变换器拓扑结构难于统一，其中交直交电压型多电平变换器可分为中点箝位型（NPC 型）和单元串联型两大类[1]。而二极管箝位型三电平拓扑结构，由于所需功率器件少、开关频率低、输出波形阶梯数高、 /du dt 小、以及易于实现高性能控制等优势，应用最为广泛。本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出一种新颖的电压空间矢量 PWM 控制算法。该算法运用熟悉的两电平 SVPWM 实现流程，易于数字化实现。同时，针对三电平逆变器直流侧中点电位波动问题，通过改变正、负小矢量作用时间，实现直流侧中点电位平衡控制。 1 二极管箝位型三电平逆变器工作原理图 1 为二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构。直流侧由两个滤波电容（ 1 2 C C、）构成， S ）、四个续流二极管以及两个箝位二极管 x 4 S 逆变侧每相桥臂由四个功率开关器件（ 1 ~x 作者简介：陈静（1986-），女，研究生，大功率交流传动. E-mail: dianqi42@126.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn D ~x （ 1 D ）构成，其中开关对 1 S x x 2 S、的开关状态互补（ x = 、、）。 a b c x 4 S S、和 2 x 3 x 图 1 二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构 Fig. 1 The topology of diode-clamped three-level inverter 三电平逆变器每相桥臂可以输出 1−、、标识这三种电压输出时的开关状态。三相桥臂经组合后，共有 27 种开关状态。在等幅值条件下，定义 Park 间矢 E 0d −、、三种电压，用1 0 E + d U 量： = 2 ( U U e b 3 + a j 2 π 3 j 4 π 3 ) + U e c ，则逆变器对应有 27 个电压空间矢量，如图 2 所示，整个平面被划分为六个60° 的扇区。除了 3 个零矢量 0V ，其余 24 个非零矢量按幅值大小，可 V ）。其中，零矢量和小矢分为小矢量（ 1 量分别对应 2 个和 1 个冗余矢量。 6~V V ）、中矢量（ 7 V ）和大矢量（ 13 18~V 12~V 15V 8V 14V 3V 0V 2V 1V 6V 4V 5V 7V 13V 12V 16V 9V 10V 17V 11V 18V 图 2 三电平电压空间矢量图 Fig.2 The diagram of three-level voltage space vector 2 简化的 SVPWM 控制算法传统的三电平 SVPWM 控制，往往将一个扇区划分为四个小三角形区域，进而根据参考电压矢量所在区域，计算有效矢量作用时间。由于需要对 24 个小三角形分别求解，计算量非常大。而运用简化的三电平 SVPWM 控制算法，通过坐标平移，将参考电压矢量修正到两电平平面中，同时易于实现中点电位控制。三电平电压空间矢量图可以看作由六个两电平电压空间矢量所构成的小六边形叠合而成[4]，每个小六边形以三电平电压空间矢量图中小矢量的顶点作为中心，字母 S 表示小六边形号如图 3 所示（ 1 ~ 6 ）。 S = - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 简化的三电平电压空间矢量图 Fig.3 The simplified three-level voltage space vector diagram 首先判定参考电压矢量 refV 所在的小六边形。然后将 refV V 所在小六边形中的三电平小矢量，即得到修正后的参考电压矢量 _s S = 时参考电压矢量修正图。再依次将有效矢量和零矢量进行坐标平移，整个研究便完全转化到两电进行坐标平移，即用 refV ，图 4 为 1 ref 减去 V 平电压空间矢量平面中。调用两电平 SVPWM 控制算法，判定 _s ref 所在扇区号。再根据伏 V 秒平衡原理确定合成 _s ref 所需的主矢量、次矢量和零矢量的作用时间。值的注意的是，两 Vβ 值进行修正，的α β、分量 _ ref Vα 和 _ ref 电平 SVPWM 算法向三电平平面推广时，要对 refV 同时 dcV 应用 1 3 dE 代替，其中 dE 是三电平变换器直流侧电压。 8V 2V sV _ ref refV 0V 1V 7V 6V 18V 图 4 S=1 时参考电压矢量修正图 Fig.4 The modified diagram of reference-voltage space vector at S=1 3 中点电位平衡控制 3.1 中点电位波动原因由于箝位型三电平逆变器自身拓扑结构缺陷，存在直流侧中点电位波动问题。中点电位的波动会导致输出电压谐波含量上升，功率开关器件承压不均，电容寿命减短，对整个装置危害极大。NPC 型三电平逆变器直流侧中点电位存在波动，一方面是由于两个滤波电容 1C 、 2C 实际参数存在偏差；另一方面，电容和负载之间不同的连接状态，变化的中点电流对电容 1C 、 2C 不同程度的充、放电，从而造成中点电位波动。图 5 显示出了三电平逆变器工作在不同开关状态下，直流电容与负载的七种连接情况。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn b) c) d) a) e) f) g) 图5 电容与负载的连接状态 Fig.5 The connections of capacitors and Load 由图5可以看出，中点电位波动与中点电流的大小和方向密切相关，因此，选取不同的电压空间矢量来合成参考电压矢量，对中点电位的影响不同。通过分析可以得出：大矢量对中点电位无影响；当直流侧电容参数有偏差时，中矢量会造成中点电位波动；小矢量的作用必然会引起中点电位波动。不同开关状态对应的冗余小矢量，产生的中点电流方向相反，对中点电位的作用效果相反。我们将使电容 1C 放电、 2C 充电，中点电位上升的小矢量称为正组小矢量；反之，将使得中点电位下降的小矢量称为负组小矢量。 3.2 中点电位平衡控制算法 1）参考电压矢量位于重叠区域当参考电压矢量位于两个小六边形重叠区域时，可以运用改变 S 值法，改变正、负冗余小矢量的作用时间，抑制中点电位波动。图 6 中，S 值可以选取 1 或者 2，参考电压矢量可以修正为 1 S = 中的 2s V − 。 2 S = 中的 1s V − 或 ref ref 8V ref V 2 _s ref V 1_s 2V 1V 图6 S值的二择性 Fig.6 The alternative values of S 当 S =1 时，合成矢量作用次序为： 1NV (0 -1 -1) → 2NV (0 0 -1) → 8V (1 0 -1) → 1PV (1 0 0)，该次序中负小矢量的作用时间多于正小矢量的作用时间，中点电位将下降；当 S =2 时，矢 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 量作用次序为： 2NV (0 0 -1) → 8V (1 0 -1) → 1PV (1 0 0) → 2PV (1 1 0)，该次序中正小矢量的作用时间多于负小矢量的作用时间，中点电位将上升。同理可知：当 S =1、3、5 时，电容 1C 充电， 2C 放电，中点电位下降；当 S =2、4、6 时，电容 1C 放电， 2C 充电，中点电位上升。因此，当参考电压矢量位于小六边形重叠区域时，通过改变 S 值，实现了直流侧中点电位的控制。 2）参考电压矢量位于非重叠区域当参考电压矢量位于非重叠区域时，改变冗余小矢量作用时间，也可以抑制中点电位的波动。例如，当参考电压矢量位于 S =1 中的第一扇区时，其合成矢量的作用次序为： 1NV （0 -1 -1）→ 13V （1 -1 -1）→ 8V （1 0 -1）→ 1PV (1 0 0)。其中， 1 T、为 1V 小矢量对应的正、 T p T = 。引入控制因子 ( 1 − ≤ 负冗余小矢量作用时间，且 1 N ≤ ），使： T 1 T 1 1 f + 1 f N P 1 T 1 P = × T 1 T 1 N = × T 1 + 2 − 2 1 f f (1) (2) 检测上、下母线电压，根据中点电位偏移情况，动态的改变控制因子 f 值大小，从而重新分配正、负小矢量的作用时间，实现了对中点电位波动的抑制。要注意的是，当控制因子取值不当时，可能加剧中点电位的波动。 4 仿真研究为验证文中 SVPWM 控制算法的正确性，在 Matlab/Simulink 环境下，搭建三电平逆变，器控制系统仿真模型，负载接三相对称阻感负载。仿真参数设置为：直流电压 C = 4700 Fµ ，开关频率母线电容。图 7 为 SVPWM 控制仿真模块，主要由：小六边形号判定模块、参考电压修正模块、扇区确定模块、作用时间计算模块以及 PWM 生成模块组成。，负载电阻 cf = 2 KHz V 540 R = Ω ，负载电感 0.08 H = = U L 0.7 ealfa ebeta ealf a ebeta smallsix smallsix 1 Ed ealf a s s ebeta ed ealf as_ref ealf as_ref sector ebetas_ref ebetas_ref modify_ref secor K- 0.33333 up 2 4 down 3 Ts ealf as_ref sector ebetas_ref thirdEd calutime Ts up down tz tc tp tn calu_action_time s sector tz tc tp tn Ts cmp1 cmp1 cmp2 cmp2 cmp3 cmp3 cmp cmp4 cmp4 pulse 1 pulse cmp5 cmp5 cmp6 cmp6 carrier_matching Subsystem 图 7 SVPWM 控制仿真模块 Fig.7 The simulation models for SVPWM control system 当参考电压给定为 200V，频率为 50Hz 时，三电平逆变器输出相电压、相电流仿真波形如图 8 所示。从图中可以看出，逆变器采用简化的 SVPWM 控制后，输出相电压为九阶梯波，逼近于正弦， /du dt 跳变小。由于电压谐波畸变率低，降低了电机的噪声、温升以及对绕组绝缘的影响。图 9 为中点电位波形，可以看出直流侧中点电位波动正负对称并且小 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 于 3V。 400 300 200 100 Ua 100V/? 0 -100 -200 -300 -400 0 0.01 0.02 0.03 / 格 A 0 5 a I 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 0 0.08 0.09 0.1 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 t 0.01s/格 0.04 0.05 0.06 0.07 t 0.01s/? (a)Ua 相电压波形 (b)ia 相电流波形图 8 输出相电压、相电流波形 Fig.8 The output waveform of phase voltage and current / 格 V 1 o U 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 0 0.01 0.02 0.05 0.06 0.04 0.03 图 9 中点电位波动波形 t 0.01s/格 0.07 0.08 0.09 0.1 Fig.9 The fluctuation waveform of neutral point voltage Uo 5 结论本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出了一种易于编程实现的简化的三电平 SVPWM 控制算法。针对三电平拓扑结构存在的中点电位波动问题，分析了中点电位波动的原因和抑制方法。仿真结果验证了该控制算法的优越性，输出电压波形接近于正弦，所含谐波少，同时中点电位波动性小。因此，基于简化的 SVPWM 算法的三电平变换器在高压大功率工业场合具有广阔的应用前景。 [参考文献] (References) [1] 竺伟,陈伯时.变频调速技术[J],电工技术杂志,1999,5(3):26-28. [2] 刘智超,吴学智,黄立培.多电平变换器发展现状及其实现[J].自动化博览,2003,(1):162-165. [3] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A New Neutral-point Clamped PWM Inverter[J].IEEE Trans. on Industrial Application,1981,17(5):518-523. [4] 韩耀飞,谭国俊,侯周峰,等.基于简化三电平 SVPWM 算法的逆变器研究[J].电力电子技术,2008,42(1):6-8. [5] 何凤有,马秀丽,李娜,等.一种简化的SVPWM算法在二极管中点箝位式三电平逆变器中的应用[J].电气技术, 2008,12:42-45. 程学报,2008,28(30):20-25. [6] 姜卫东,王群京,陈权.考虑中点电压不平衡的中点箝位型三电平逆变器空间矢量调制方法[J].中国电机工 [7] Celanovic N, Boroyevich D.A comprehensive study of neutral-point voltage balancing problem in three-level - 6 -

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