多电平逆变器简化空间矢量调制算法_夏长亮

。基于载波的脉宽调制方法虽然原理简
单、易于实现，但直流电压利用率低；消除特定谐 波的调制方法虽然能消除输出电压波形中特定次数 的谐波，但所需计算量大，并且在消除某一特定次 数谐波的同时，可能会加大其他次数谐波幅值；而 空间矢量脉宽调制方法因其物理概念清晰、直流电 压利用率高以及易于数字化实现等优点，在电机控 制及功率变换等领域获得了广泛的应用 [7-9] 。 多电平逆变器电平数越高，基本电压空间矢量 数目就越多，空间矢量脉宽调制涉及到的坐标矩阵 变换和三角函数计算越复杂。 本文在文献 [10]简化空 间矢量脉宽调制算法基础上，进一步简化了六边形 区域选择的确定方法。该方法的计算复杂性与多电 平逆变器的具体电平数无关，根据参考矢量的模长 和相位确定参考矢量终点所在小六边形区域后，将 参考矢量分解成多电平基本矢量与两电平参考矢量， 借助七段法生成优化两电平开关序列，最后结合多 电平基本矢量得到优化多电平开关序列，完成多电 平空间矢量脉宽调制。
2013 年 8 月 第 28 卷第 8 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Aug.
No. 8 2013
多电平逆变器简化空间矢量调制算法
夏长亮
1,2
谭智涵
1
张
云
天津
1
（ 1. 天津大学 电气与自动化工程学院
（ 3）
Voltage space vector diagram of two level voltage vectors
220
电 工 技 术 学 报
2013 年 8 月
同理可以计算参考矢量位于其他扇区时基本矢 量的作用时间，见表 1 。
表1 Tab.1
N T1 T2 Ⅰ -Z X
矢量如图 4 所示。 矢量图由一系列边长相等的正三角形构成，其 最外层是一边长为四倍于正三角形边长的正六边形
图2 Fig.2 两电平参考矢量合成 voltage vectors
图： 6 个幅值相等、相位互差 60º 的非零基本矢量 V1～ V6 将复平面区域分成了六个扇区Ⅰ～Ⅵ，复平 面中心为零矢量 V0、 V7。 空间矢量脉宽调制的基本思想是：在每个开关 周期内，选择合适的两电平基本电压矢量，代替旋 转参考矢量作用。其主要步骤如下：
300072 天津 300387）
2. 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室
摘要 基于两电平的多电平逆变器空间矢量脉宽调制简化算法是根据参考矢量的幅值和相位 确定参考矢量终点所在小六边形区域，先把参考矢量分解成多电平基本矢量与两电平参考矢量， 然后借助传统的两电平七段法合成两电平参考矢量，得到两电平优化开关序列，最后将该优化开 关序列与多电平基本矢量相结合得到多电平优化开关序列。该算法计算基本矢量作用时间及生成 多电平优化开关序列的复杂性与多电平逆变器的电平数无关。二极管钳位型三电平逆变器的仿真 与实验结果验证了所提方法的正确性与可行性。 关键词： 多电平逆变器 空间矢量脉宽调制 简化算法 优化开关序列 中图分类号： TM464
在由基本矢量生成优化开关序列时，应当遵循 以下原则： （ 1 ）每次切换开关状态时，只改变一相桥臂的 状态，尽量降低开关损耗。 （ 2）为了使输出电压波形对称，减小谐波，把 每个基本电压矢量的作用时间都一分为二，分前后 半周期对称作用。 （ 3） 为了避免当参考电压矢量由一个扇区进入 另一扇区时，过多的开关器件同时动作，首发矢量 和结束矢量均选择零矢量。 按照以上原则，由基本矢量合成给定参考 矢量时，其作用顺序见表 2 。
形边长、两倍正三角形边长和一倍正三角形边长的 正六边形 O、N 、M。图 4 中每个正三角形的顶点代 表一个或若干个五电平基本电压空间矢量：位于六 边形 P 边上的所有正三角形顶点均代表一个基本电
简化空间矢量调制算法进行阐述。五电平电压空间

第 28 卷第 8 期
夏长亮 等
多电平逆变器简化空间矢量调制算法
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边形 P 顶点两侧的两个小区域，最终将复平面划分为 18 个小六边形区域。 图 6 中给定的参考矢量位于 k=2 形顶点分别代表两个、三个、四个基本矢量，正六 小区域范围内， 对应图 5 中五电平基本矢量为 310。 边形的中心代表五个基本矢量。图 5 仅给出了图 4 5 2 5 根据矢量合成原理， V ref ， V ref 单独 V b5 V ref 中与每个三角形顶点对应的一个基本电压空间矢量， 5 2 5 作用效果与 V b 和 V ref 共同作用效果相同，其中 V ref 且开关矢量 “xyz”表示三相五电平逆变器每相输出相 压空间矢量，位于六边形 O、 N、 M 边上的正三角 电压在某一时刻对应的电平电压状态，x，y，z 分别 可取 0、 1、 2、 3 和 4 。 “0”表示某相输出相电压在 该 开 关 时 段 为 “-Vdc ” 电 平 电 压 ； 同 理 ， “1” 表 示 为
1
引言
多电平逆变器较传统两电平逆变器具有功率器
件承受电压应力小、输出波形谐波特性好、开关频 率低和效率高等优点，适用于高压大容量功率变换 场合 [1-3] 。 目前，多电平逆变器拓扑结构包括：二极管钳 位型、飞跨电容型、级联 H 桥型以及基于上述拓扑 的混合型。针对各种不同的拓扑结构，所产生的多
式中， V dc 为直流母线电压，将式（ 2 ）代入式（ 1 ） 解得
3VβTs 3V T t1 α s 2Vdc 2Vdc 3VβTs t 2 Vdc 3VβTs 3V T t0 Ts α s 2Vdc 2Vdc
图1 Fig.1
两电平电压空间矢量
A Simplified Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm for Multi-Level Inverter
Xia Changliang 1,2 Tan Zhihan 1 Tianjin Tianjin Zhang Yun 1 300072 China 300387 China） （ 1. Tianjin University
图5 Fig.5
五电平基本的空间矢量 voltage vectors
基于表 2 中的基本矢量作用顺序，当参考矢量 位于扇区Ⅰ时，生成的优化脉冲序列如图 3 所示。
The basic voltage space vectors of five level
3
多电平简化空间矢量调制算法
为了便于说明，本文以五电平为例，对多电平
[4-6]
（ 1） 根据给定参考矢量的相位确定其所在扇区， 进而选择用于合成参考矢量的两电平基本矢量。 （ 2） 根据伏秒平衡原则计算两电平基本矢量的 作用时间。 （ 3 ）按照优化的相关原则，使基本矢量按照一 定的顺序先后作用生成优化开关序列，经驱动电路 放大后驱动逆变器的功率器件。 以参考矢量位于扇区Ⅰ为例，如图 2 所示，此 时参考矢量可由基本矢量 V1 、 V2 及零矢量 V0 、 V7 合成，根据伏秒平衡原则有
3VβTs X Vdc 3VβTs 3VαTs Y 2Vdc 2Vdc 3VβTs 3V T Z α s 2Vdc 2Vdc
（ 4）
Fig.3
图3
扇区Ⅰ内优化脉冲序列
The optimized switching sequences of sectorⅠ
2. Tianjin Polytechnic University
Abstract A simplified space vector pulse width modulation algorithm based on two-level modulation for multi-level inverter is proposed. The algorithm determines the small hexagonal region which the reference vector belongs to according to the amplitude and phase angle of the reference vector. Firstly the reference vector is decomposed into a multi-level basic vector and a two level reference vector, then the two level reference vector is synthesized and the two level optimized switching sequences are obtained by using the traditional two-level seven segments modulation method. Finally the multi-level optimized switching sequences are obtained by adding the multi-level basic vector to the optimized two level switching sequences. The complexity of calculating the basic vector dwelling time and generating the optimized switching sequences has nothing to do with the specific level of the inverter. The correctness and feasibility numbers of the proposed algorithm are verified by the simulation and experimental results of a diode clamped three level inverter. Keywords： Multi-level inverters， space vector pulse width modulation ， simplified algorithm， optimized switching sequences