三电平变频器原理

三电平变频器原理

作者：中南大学信息科学与工程学院许文斌桂武鸣

摘要：论述了空间电压矢量调制（SVPWM）控制二极管钳位式三电平逆变器的原理与实现方法。提出了确定参考矢量的三个规则，并推导出工作矢量作用时间、输出顺序及描述了中点电位的控制规则。通过采用Matlab仿真，结果证明SVPWM控制三电平逆变器的可行性。

英文摘要：In this paper,the principle and implement method of space vector puls e width (SVPWM) controlling diode clamped three-level converter is discussed. Thre e judging rules of determining the location of the desired vector is proposed, and t he duty time of active vectors, output sequence are deduced, and the neutral point potential rule is described. The simulation results through Matlab verify the affectivit y of SVPWM controlling three-level converter.

关键词：SVPWM三电平逆变器仿真

1引言

工程实际中，待控制能量的规模越来越大，而在该过程中充当主角的功率

器件所能承受的关断电压和通态电流能力却受到现有功率半导体器件制作水平的

限制，促使人们从逆变拓扑结构方面展开研究以满足实际需要。自1980年日本学者A.Nabae提出三电平中点钳位式结构以来，三电平逆变器的拓扑结构主要发展有二极管钳位式、电容钳位式、单元电路级联式。与二电平逆变器相比，三电平逆变器的主要优点是：

（1）器件相对于中间回路直流电压具有2倍的正向阻断能力；

（2）同样功率等级的半导体开关器件，输出功率可以提高一倍，开关频率降低50％；

（3）三电平拓扑把输出第一组谐波移频带移至二倍开关频率的频带区，提高了谐波频率，减小了滤波器的体积，同样控制方式下，三电平逆变器的输出谐波小。因此，三电平逆变器在高压、大功率领域得到了广泛的应用。

空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)方法输出电流谐波成分少、低脉动转矩、具有比SPWM高15％的电源利用率，物理概念清晰，算法简单且适合数字化方案，适合于实时控制，是三电平逆变器首选的PWM控制方法。

2三电平逆变器主电路结构

二极管钳位式三电平电压型逆变电路原理图如图1所示。

图1二极管钳位式三电平逆变器主电路结构图

每个桥臂由两个开关管串组成，每个串由两个相匹配的管串联而成，降低管子的耐压。

每个桥臂具有三种输出状态0，1和2，以A相电路为例，当、导通时，A相为0态，输出电压为；当、导通时，A相为1态，电压为0；当、导通时，A相为2态，输出电压为。于是A相输出可以得到、0、

个值，如表1所示。

表1 二极管钳位式三电平逆变器开关状态与输出电压的关系

对于三相三电平逆变器由于每相都有三种电平输出，故三相输出共有

33=27个电平状态，对应着空间矢量控制的27个矢量状态，如图2所示。

图2三电平逆变器电压空间矢量图

3三电平电压空间矢量调制(SVPWM)方法

3.1 参考电压矢量位置与输出电压矢量的确定

SVPWM的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后就可以依此确定出相应的输出电压矢量。为了防止输出电压产生很高的dv/dt,每次输出状态切换时,开关状态应该只切换一个电平，例如从111到011或从111到211。第一象限正三角形中的矢量分区如图3所示，其他象限其他三角形中矢量的分析可参照第一象限。首先，根据参考矢量的角度θ确定出该矢量位于如图2所示的6个正三角形区域中的哪一个，然后可以依据如下三条规则进一步地判断出位于哪个小三角形。参考电压矢量所在小三角形的3个顶点所对

应的电压矢量就作为参考电压矢量的输出电压矢量，即这些电压矢量来合成参考电压。

图3第一象限扇区1中的参考矢量合成图

参考电压矢量为：

规则1：

规则2：

规则3：Vrefβ-Vβ＜0

3.2 输出电压矢量的作用时间的计算

在采样周期内，对于一个给定的参考电压矢量，可以利用三个基本电压矢量来合成，根据伏秒平衡原理，满足方程组：

其中分别为矢量对应的作用时间，为采样周期。根据此方程组可以得到各基本矢量的作用时间。然后根据基本矢量与开关状态的对应关系，结合其他要求确定所有的开关状态及其输出形式。

（1）图3中当参考矢量在1区时，由合成，作用时间分别为

的计算公式如下：

（2）当参考矢量在2区时，由合成，作用时间分别为的计算公式如下：

（3）当参考矢量在3区时，由合成，作用时间分别为的计算公式如下：

（4）当参考矢量在4区时，由合成，作用时间分别为的计算公式如下：

其中。

3.3 输出电压矢量的作用顺序

在每个SVPWM控制周期中，需要合理安排输出电压矢量的作用顺序，输出电压矢量的作用顺序的确定应遵循2个原则：

（1）每相只能在状态2和1、1和0之间相互切换，不允许在2和0之间直接切换；

（2）每次只能有一相电平切换。由此原则可得到图3中各区域输出电压矢量的作用顺序如表2所示。

表2各区域输出电压矢量的作用顺序

3.4 中点电位的控制

三电平逆变电路中，直流侧电容电压的不平衡是个较为严重的问题，中点电流的存在会导致中点电位的振荡，引起电容电压的不平衡问题。可以根据中点电流的方向和电容的电压大小来调整正负矢量的相对作用时间，从而控制中点电位。假定m为中点电压调整系数，则矢量的作用时间为，的作用时间为，可得控制规则如下：

（1）当时，m可取0.5；

（2）当Uc1＞Uc2且首发矢量中点电流的方向为流入时，m＞0.5,否则，m ＜0.5;

（3）当Uc1＜Uc2且首发矢量中点电流的方向为流入时，m＜0.5,否则，m ＞0.5。

4仿真结果

设置系统仿真参数如下:负载电感为10Ω、电感为20mH,直流电容C1、C2均为1000μF,系统直流测电压为2000V,控制周期为0.5ms,仿真给出了系统输出频率