三电平SVPWM实现原理
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S b1
Sc1
C 1
+
Sa2
Sb 2
Sc 2
L c
R
a O +
Sa3
Sb3
b
Sc3
ea eb
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n
C 2 N
Sa 4
Sb 4
Sc 4
图 4 三相三电平变流器的开关函数模式主电路结构图
在三相三电平 VSR 拓扑结构中， 为分析方便， 首先定义单极性三值逻辑开关 函数 S x 为：
1 S x 0 1 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (1,1, 0, 0), 输出电压U dc / 2 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (0,1,1, 0), 输出电压0 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (0, 0,1,1), 输出电压-U dc / 2
VDa4
VTa4
VTa 4
VDa4
VDa4
N
(a)VTa1、VTa 2导通
(b)VDa 5、VTa 2导通
(c)VDa 3、VDa 4导通
图 2 三电平变流器 a 相电流流向(负载电流为正)
P
VTa1
P
Байду номын сангаасVD a1
VTa1
P
VDa1
C 1
+
VDa5
VTa2
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O + C 2 N
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+ C 2 N
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+ C 2 N
VTa3
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VTa4
VD a4
VTa4
VDa4
VTa4
VDa4
(a)VTa 3、VTa 4导通
(b)VTa 3、VDa 6导通
(c)VDa1、VDa 2导通
2.3 三相三电平电压型变流器空间电压矢量分布
在三相平衡系统中，在复平面内定义空间电压矢量 U ：
Uk
2 3
(u an u bn e
j 2 3
u cn e
j 2 3
)
1 3
1 6
U dc ( S a S b e
j 2 3
Sc e
j 2 3
)
（3）
U [(2 S S S ) j
三电平 SVPWM 实现原理
1 应用范围
本文档为三电平变流器的 SVPWM（空间矢量 PWM）算法介绍，为二极管中点 钳位式三相三电平变流器 SVPWM 的原理及实现，可应用于光伏发电逆变器、风 力发电变流器、储能变流器等。 在三相电压型变流器中，三电平 SVPWM 具有降低开关管的电压等级要求、 降低对开关频率等级要求、开关损耗更低、逆变波形畸变率更小等优点。
图 3 三电平变流器 a 相电流流向(负载电流为负)
在三电平变流器的开关导通原则中，VT1、VT3 标准驱动信号为一对高低电 平状态相反的脉冲，VT2、VT4 标准驱动信号为一对高低电平状态相反的脉冲， 具体开关组合可以参考下文矢量合成时的开关组合。
2.2 三相三电平电压型变流器的开关函数模型
P
S a1
P
VTa1
P
VD a1
P
VTa1
VDa1
C 1
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VDa5
VTa2
VDa2
C1
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VD a6
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O + C2
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VDa1
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VTa 3
VDa3
VDa 3
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VDa3
C 2 N
VTa4
三电平变流器的每相桥臂有三个基本电平状态，下面以 a 相为例进行分 析，a 相电压的大小是相对于中性点 0 的电位而言，开关管状态变化时，uao 有 三种电平：-Udc/2、0、Udc/2，这也就是图 1 拓扑结构的变流器被称为三电平变 流器的原因。 当主开关管 VTa1、VTa2 导通，VTa3、VTa4 关断时，a 相输出电压为 Udc/2，VTa3、VTa4 导通，VTa1、VTa2 关断时，a 相输出电压为-Udc/2，VTa2、 VTa3 导通，VTa1、VTa4 关断时，a 相输出电压为 0 电平。负载电流不同，功率 开关管的开关状态改变，电流的流向决定具体导通的是功率开关管还是续流二 极管。具体导通情况可以参看图 2 和图 3。以图 2(b)为例分析，VTa2、VTa3 为 高电平，要保持电流由 a 相桥臂流出，只能是 VDa5、VTa2 导通，其余管子导通 的类似。
2 三相三电平 SVPWM 的原理及其实现 2.1 三相三电平变流器的工作原理
P
VTa1
VDa1
VTb1
VDb1
C 1
+
VDa5
VTc1
VDc1
VTa 2
VDa2
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L
R
a O + C 2 N
图1
VD a6
b c
VD b6
VTb3
ea eb
ec
n
VTa3
VDa3
（1）
式中 x=a，b，c；1 为对应开关器件开通，0 为对应开关器件关断。 在图 4 所示电路中，选取负载中心点 n 为电位参考点，近似与三相 VSR 变 流器的二值逻辑开关函数推导，根据 KVL 定理推导出三电平变流器三相输出相 电压为：
1 1 uan 2 [ S a 3 ( S a Sb S c )]U dc 1 1 （2） ubn [ Sb ( S a Sb S c )]U dc 2 3 1 1 ucn 2 [ S c 3 ( S a Sb S c )]U dc 此时，可以得到三电平电压型变流器的相电压瞬时值： uan 、 ubn 、 ucn 。
VD b3
VDc6
VTc3
VDc3
VTa4
VDa4
VTb4
VDb4
VTc4
VDc4
三相三电平变流器主电路拓扑结构图
图 1 是二极管钳位式三电平空间矢量变流器的主回路拓扑结构图，从图 1 可以看出，三电平变流器的每个桥臂有四个功率开关管：VT1、VT2、VT3、 VT4，四个功率开关管分别反并联一个续流二极管:VDa1、VDa2、VDa3、VDa4， 两个辅助钳位二极管：VD5、VD6，主开关管 VT1、VT4 实现和两电平变流器主电 路中上下管相同的功能，每桥臂的 VT2、VT3、VD5、VD6 起零电平钳位作用，将 输出电压钳位在零电平。三电平变流器直流侧由直流电容 C1、C2 组成，且这两 个电容中间点 O 和钳位二极管的中点相连接，在这种连接方式下，中点 O 的电 位会随着电流变化和开关状态的影响而浮动。
Sc1
C 1
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Sa2
Sb 2
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Sc3
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图 4 三相三电平变流器的开关函数模式主电路结构图
在三相三电平 VSR 拓扑结构中， 为分析方便， 首先定义单极性三值逻辑开关 函数 S x 为：
1 S x 0 1 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (1,1, 0, 0), 输出电压U dc / 2 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (0,1,1, 0), 输出电压0 当( S x1 , S x2 , S x3 , S x4 ) (0, 0,1,1), 输出电压-U dc / 2
VDa4
VTa4
VTa 4
VDa4
VDa4
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(a)VTa1、VTa 2导通
(b)VDa 5、VTa 2导通
(c)VDa 3、VDa 4导通
图 2 三电平变流器 a 相电流流向(负载电流为正)
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VTa4
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VTa4
VDa4
VTa4
VDa4
(a)VTa 3、VTa 4导通
(b)VTa 3、VDa 6导通
(c)VDa1、VDa 2导通
2.3 三相三电平电压型变流器空间电压矢量分布
在三相平衡系统中，在复平面内定义空间电压矢量 U ：
Uk
2 3
(u an u bn e
j 2 3
u cn e
j 2 3
)
1 3
1 6
U dc ( S a S b e
j 2 3
Sc e
j 2 3
)
（3）
U [(2 S S S ) j
三电平 SVPWM 实现原理
1 应用范围
本文档为三电平变流器的 SVPWM（空间矢量 PWM）算法介绍，为二极管中点 钳位式三相三电平变流器 SVPWM 的原理及实现，可应用于光伏发电逆变器、风 力发电变流器、储能变流器等。 在三相电压型变流器中，三电平 SVPWM 具有降低开关管的电压等级要求、 降低对开关频率等级要求、开关损耗更低、逆变波形畸变率更小等优点。
图 3 三电平变流器 a 相电流流向(负载电流为负)
在三电平变流器的开关导通原则中，VT1、VT3 标准驱动信号为一对高低电 平状态相反的脉冲，VT2、VT4 标准驱动信号为一对高低电平状态相反的脉冲， 具体开关组合可以参考下文矢量合成时的开关组合。
2.2 三相三电平电压型变流器的开关函数模型
P
S a1
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VTa1
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VTa1
VDa1
C 1
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VDa1
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VDa3
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C 2 N
VTa4
三电平变流器的每相桥臂有三个基本电平状态，下面以 a 相为例进行分 析，a 相电压的大小是相对于中性点 0 的电位而言，开关管状态变化时，uao 有 三种电平：-Udc/2、0、Udc/2，这也就是图 1 拓扑结构的变流器被称为三电平变 流器的原因。 当主开关管 VTa1、VTa2 导通，VTa3、VTa4 关断时，a 相输出电压为 Udc/2，VTa3、VTa4 导通，VTa1、VTa2 关断时，a 相输出电压为-Udc/2，VTa2、 VTa3 导通，VTa1、VTa4 关断时，a 相输出电压为 0 电平。负载电流不同，功率 开关管的开关状态改变，电流的流向决定具体导通的是功率开关管还是续流二 极管。具体导通情况可以参看图 2 和图 3。以图 2(b)为例分析，VTa2、VTa3 为 高电平，要保持电流由 a 相桥臂流出，只能是 VDa5、VTa2 导通，其余管子导通 的类似。
2 三相三电平 SVPWM 的原理及其实现 2.1 三相三电平变流器的工作原理
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VTa1
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图1
VD a6
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VD b6
VTb3
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VTa3
VDa3
（1）
式中 x=a，b，c；1 为对应开关器件开通，0 为对应开关器件关断。 在图 4 所示电路中，选取负载中心点 n 为电位参考点，近似与三相 VSR 变 流器的二值逻辑开关函数推导，根据 KVL 定理推导出三电平变流器三相输出相 电压为：
1 1 uan 2 [ S a 3 ( S a Sb S c )]U dc 1 1 （2） ubn [ Sb ( S a Sb S c )]U dc 2 3 1 1 ucn 2 [ S c 3 ( S a Sb S c )]U dc 此时，可以得到三电平电压型变流器的相电压瞬时值： uan 、 ubn 、 ucn 。
VD b3
VDc6
VTc3
VDc3
VTa4
VDa4
VTb4
VDb4
VTc4
VDc4
三相三电平变流器主电路拓扑结构图
图 1 是二极管钳位式三电平空间矢量变流器的主回路拓扑结构图，从图 1 可以看出，三电平变流器的每个桥臂有四个功率开关管：VT1、VT2、VT3、 VT4，四个功率开关管分别反并联一个续流二极管:VDa1、VDa2、VDa3、VDa4， 两个辅助钳位二极管：VD5、VD6，主开关管 VT1、VT4 实现和两电平变流器主电 路中上下管相同的功能，每桥臂的 VT2、VT3、VD5、VD6 起零电平钳位作用，将 输出电压钳位在零电平。三电平变流器直流侧由直流电容 C1、C2 组成，且这两 个电容中间点 O 和钳位二极管的中点相连接，在这种连接方式下，中点 O 的电 位会随着电流变化和开关状态的影响而浮动。