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1、45 2009年第6期(总第76期) E-mail: 收稿日期：2009-02-18 作者简介：黄珊珊，工程硕士，助理工程师。 空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)以获得圆形磁链轨迹为目 的,具有降低转矩脉动,减小波形畸变,提高电压利用率, 提高功率因数,降低消耗,易于数字化实现等优点。 而近年来，在高压、大功率变换电路中，一种新型 的变换器箝位二极管式电压型三电平逆变器，由于 其相对于传统两电平电压型逆变器表现出明显的优势， 引起了越来越多的关注。电压型逆变器输出性能主要取 决于调制算法，SVPWM技术以其易于数字实现，电
2、压利 用率高等优点，且随着新型器件的出现，得到了广泛应 用。为了更好地理解算法的原理，便于控制系统仿真的 实现，本文详细介绍了三电平空间矢量SVPWM算法的基 本原理，并给出了在Simulink环境下三电平空间矢量 SVPWM算法的实现方法 ,并进行仿真验证。 一、三电平电压空间矢量基本原理 图1为三电平逆变器的主电路图。三电平逆变器每 个桥臂有四个开关器件。三点平的参考空间电压矢量定 义为： 图1 三电平逆变器的主电路图 其中，Ua、Ub、Uc为输入参考电压，仿 真中用Vref=abs(Vref)和a=angle(Vref)可以分别得到 幅值和相角。 对于其中一相来说，以电源中点为参考点，可
3、以输 出+Vdc/2，0和-Vdc/2三种电平，也即三种状态：P，O， n。引入开关函数Su，Sv，Sw，则逆变器输出矢量可记 为： 其中Su，Sv，Sw，可取1，0，-1三种状态(对应P， O，n)。所以三相三电平逆变器合成电压矢量数为27 种。 图2为三电平逆变器空间电压矢量图。 图2 三电平逆变器空间电压矢量图 电压矢量有6个幅值为Vdc的大矢量，6个幅值为 的中矢量，12个幅值为的小矢量和3个零矢 三电平逆变器SVPWM算法的研究及仿真 黄珊珊 广东工业大学 广东广州 510060 摘 要：文章分析了三电平空间矢量算法(SVPWM)的基本原理,采用一种首发矢量全部采用负小矢量的空间矢量
4、调制算法， 给出了小三角形区域判断规则、推导了各合成电压矢量的作用时间、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量的作用顺序和 SVPWM信号的产生方法，探讨了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素。仿真实验结果证实了本文提出的空间电压矢量 调制算法的有效性。 关键词：逆变器 空间矢量 三电平 SVPWM算法 46 2009年第6期(总第76期) E-mail: 量。结合空间电压矢量图可得三电平逆变器三相电压合 成机理：SVPWM法就是用逆变器输出相电压的平均矢量 去逼近某一空间电压矢量Vref。Vref以某一角频率在空间 旋转，当它旋转到六角空间电压矢量图的某个小区间 时，系统选中该区间的基本电压矢
5、量中所需的矢量，并 以此矢量所对应的状态去驱动功率开关元件动作。当控 制矢量旋转到下一个小区间时，又选中对应区间的相应 电压矢量，并以其对应的状态去驱动功率开关元件动 作。当控制矢量在空间旋转360后，变频器就能输出 一个周期的正弦波电压。 二、三电平电压空间矢量算法 1.判断参考电压矢量Vref所处的扇区和区域 图3为扇区和区域划分图。 图3 扇区和区域划分图 通过参考电压矢量的角度a判断扇区，其范围为 -,。通过向上取整得到扇区N。 对于区域的判断，因为每个扇区的区域划分一样， 可通过下面式子归一到4扇区得到新的相角(的范围是 )再进行区域n的判断，而且对别的扇区每个矢量 作用时间均可以由
6、4扇区各个矢量作用时间得到。 由新的相角和幅值得到新的参考矢量： Vref =Va+VjV 其他情况下，n=3； 其他情况下，n=4。 2.计算各合成电压矢量的作用时间 以4扇区1区域为例。作用时间合成原则： (5) Ta+Tb+Tc=Ts (6) 其中 因此可以得到， 其中，,Ts为采样周期。别的区域矢量计 算原则一样。 3.确定各合成电压矢量的作用顺序 在三电平逆变器中，由于冗余开关状态的存在，使 得一个电压矢量对应于两个或者是三个开关状态。因此 必须使用一定的算法来减少开关动作次数，从而减少开 关损耗。基本原则是，每次开关状态的变化只引起一相 电压的变化。 在判断出矢量所在的位置后就可以
7、根据表1得到合 成Vref的输出电压矢量(选定的4个矢量一次对称发出输 出矢量)。以4扇区为例。 表1 第四扇区作用矢量及时间分配表 从表中可以看到，用于合成Vref的首发矢量都是负 小矢量，这样从某一小矢量ONN出发并在中间返回其冗 余小矢量POO, 然后按相反规律再回到起始小矢量ONN, 可满足矢量变化时仅有三相逆变器的1个桥臂的一相发 生变化，其状态变化服从最小变化原理。这样可以有效 地避免扇区切换过程中的矢量突变，减少了开关动作次 数，从而减少开关损耗(即每次开关状态的变化，只引 起一相电压的变化，并且只有两个互补开关管的触发信 号发生变化)。 4.三相SVPWM信号的产生 47 20
8、09年第6期(总第76期) E-mail: 根据电压矢量作用时间和表1的矢量作用顺序， 给出了如图4所示2区域的输出时序。将周期为T和幅值 为T/2三角波与T1，T2，T3相比较，即可得到图4的三相 SVPWM信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。其 中，T1=kTa/2，T2=T1+Tb/2，T3=T2+Tc/2。此时的 为中点 电压调整系数。 图4 2区域的输出时序 5.中点电压平衡控制讨论 中点电压平衡问题是影响三电平逆变器在高压、大 功率领域应用的重要因素。定义输出中点的电流为正， 表2给出了中点电流 与电压矢量系。 表2 中点电流与电压矢量状态关系 由表知道，中、小矢量都影响三电平
9、逆变器中点电 压平衡，由于正负小矢量产生的中点电流方向相反，且 成对出现，因而可以相互抵消，不影响中点电压平衡。 而对于中矢量，其中有一相直接接入中点，因为使得中 线有电流，这也是电压不平衡的根本原因。首发小矢量 采用负小矢量，通过检测该矢量时连接到中点的某相电 流方向，可以知道该小矢量对直流电容电压的影响， 并根据电压的不平衡方向，通过调整中点电压调整系数 来调整正负小矢量相对作用时间，从而达到平衡中点电 压的目的。 三、仿真结果 依据三相三电平空间电压矢量算法，在MATLAB 环境下建立了模型，部分模块采用程序编程实现， 并进行了仿真验证。仿真参数为：Vdc=600V，输出频 率为fo=5
10、0Hz，R=100，L=1mH，C=4F，采样周期 T=0.02ms，中点电压调整系数k设为0.5,图5为输出仿真 波形，和输出谐波仿真频谱图。 图5 仿真波形和仿真频谱图 参照两电平情况，采用三电平逆变器可大大降低谐 波污染。 四、结束语 以第4扇区为例，详细论述了三电平逆变器空间电 压矢量调制工作原理和实现方法，提出了一种首发矢量 全部采用负小矢量的空间矢量调制算法，使用归一法， 把其他5扇区全部划归4扇区计算。探讨了通过检测负载 电流方向和直流电容的电压，合理分配正负小矢量对的 作用时间，来可以实现电容电压的平衡的方法。仿真过 程中将中点电压调整系数 设为0.5。实际中点电压平衡 可通过
11、前面探讨的方法对 进行设置，来更好的实现中 点电压平衡。这也是下一步工作要做的。 研究结果证实了本文提出的空间矢量调制算法的有 效性。 参考文献 1 张德宽.一种实用中点钳位(NPC)逆变器的空间 矢量方法J .电气传动,2003(2) :4-7. 2 林磊,邹云平,钟和清,等.二极管箝位型 三电平逆变器控制系统研究J.中国电机工程学 报,2005,25(15) :33-39. 3 薄保中.三电平逆变器的分析与控制J.电气 传动.，2003(2) :14-17. 4 刘学超，三电平逆变器中点电压平衡的电压 空间矢量控制原理及算法，电源技术应用J，2003， 6(5) :235-238. 5钟彦儒，高永军，曾光，等.采用空间电压 矢量PWM方法三电平逆变器研究J.电力电子技术， 2000(1)，10-13.
