矢量脈寬調(diào)制方法研究

摘 要：介紹了二極管中點(diǎn)鉗位（NPC）H橋五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理，提出了一種新的適用于五電平逆變器的電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法.該算法利用12條規(guī)則來(lái)判斷參考電壓所在位置，為避免逆變器在扇區(qū)切換中輸出矢量突變，采用了使兩相鄰小三角形區(qū)域輸出矢量變化方向相反的方法.結(jié)果表明，本文提出的SVPWM算法是正確且有效的，與傳統(tǒng)的SPWM方法相比，逆變器輸出線電壓的諧波含量明顯減少，其基波電壓的幅值也得到了明顯的提高.



關(guān)鍵詞：電力電子；空間矢量脈寬調(diào)制；五電平逆變器；H橋

中圖分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on SVPWM Method for Fivelevel 

Neutralpointclamped (NPC) HBridge Inverter



WANG Hui， TAN Weisheng， QU Chaojie

(College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082 ，China)

Abstract:This paper introduced the topology of fivelevel neutral point clamped (NPC) HBridge inverter and its operating principle， and proposed a new algorithm of space vector pulse width modulation (SVPWM)， which can be applied to the fivelevel inverter. In this algorithm， the reference voltage position is located by twelve judging rules， and in order to avoid the abrupt change of output voltage vectors during the process of desired vector changing from one section to another， the method that made the output vector changes of the two adjacent triangles in the opposite direction is used. In this paper， the implementation approaches and concrete steps for the algorithm used to control the fivelevel inverter were studied with simulation. The simulation results have shown that the proposed algorithm is correct and effective， the harmonics of inverter output voltage are significantly reduced and the amplitude of fundamental voltage also increase significantly， compared with the traditional SPWM method.



Key words:power electronics; space vector pulse width modulation (SVPWM); fivelevel inverter; Hbridge



多電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，具有控制方式靈活，輸出電壓諧波含量低，逆變效率高，適合于高壓大功率輸出等優(yōu)點(diǎn)，受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注.

多電平電壓型逆變器的輸出性能主要取決于調(diào)制算法，脈寬調(diào)制以其易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用［1］.目前，SVPWM算法的研究及應(yīng)用主要還是針對(duì)兩電平和三電平逆變器電路［2-6］.國(guó)內(nèi)外的一些公司開(kāi)發(fā)出了一些用空間矢量調(diào)制的三電平逆變器，但是要想獲得更高的輸出電壓就需要增加輸出電壓的電平數(shù)，而隨著電平數(shù)的增加，其控制算法將會(huì)變得異常復(fù)雜.目前，五電平及其以上逆變器的控制方法大多采用控制算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單的正弦脈寬調(diào)制算法（Sinusoidal pulse width modulation， SPWM），而空間電壓矢量控制法適用于七電平及其以下逆變器［7］.由于SVPWM算法的優(yōu)點(diǎn)，因此五電平逆變器的SVPWM算法的研究是非常重要的.五電平逆變器的SVPWM算法的相關(guān)研究國(guó)內(nèi)還很少，在國(guó)外文獻(xiàn)中也只有少量相關(guān)文獻(xiàn)［8-11］.為此，本文針對(duì)二極管中點(diǎn)鉗位H橋五電平逆變器的空間矢量調(diào)制方法進(jìn)行探討.從中點(diǎn)鉗位H橋五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，提出了一種新的適用于五電平逆變器的電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2012年

第4期王 輝等：中點(diǎn)鉗位H橋五電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法研究

1 逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理

中點(diǎn)鉗位H橋五電平電壓型逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 中點(diǎn)鉗位五電平H橋逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.1 The topology of 5level NPC/Hbridge inverter



從圖1可以看出：中點(diǎn)鉗位H橋五電平逆變器是由3個(gè)3H橋構(gòu)成，3個(gè)3H橋由3個(gè)獨(dú)立的電源供電，每個(gè)3H橋是由兩個(gè)臂組成，每個(gè)臂可以輸出-E，0，E 3種電平，這樣兩個(gè)臂疊加就可以輸出-2E，-E，0，E，2E 5種電平，其中E為Udc，Udc為直流端電壓.

2 五電平逆變器空間矢量調(diào)制及實(shí)現(xiàn)

2.1 扇區(qū)劃分及空間矢量圖

由于空間矢量調(diào)制方法具有易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于兩電平和三電平逆變器控制系統(tǒng)中，在五電平和七電平的逆變電路中，這種方法同樣適用.電壓空間矢量的表達(dá)式為：

U=Uα+jUβ=23(UA+aUB+a2UC)，

a=ej2x3. (1)

從α軸開(kāi)始，按照逆時(shí)針?lè)较驅(qū)⒖臻g矢量圖劃分為6個(gè)扇區(qū).中點(diǎn)鉗位H橋三相五電平逆變器具有5種工作狀態(tài)，由此可以得出53=125個(gè)空間電壓矢量.如果定義用-2，-1，0，1和2來(lái)分別表示每相橋臂的輸出狀態(tài)-2E，-E，0，E和2E，則可以得出五電平逆變器的空間矢量圖，圖2為五電平逆變器位于第Ⅰ扇區(qū)的空間矢量分布圖，為了后面分析方便，這里給每個(gè)小三角形進(jìn)行了編號(hào).

2.2 五電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制方法

2.2.1 判斷參考矢量所在區(qū)域和確定輸出矢量

空間矢量調(diào)制的首要任務(wù)就是判斷參考電壓矢量位于哪個(gè)扇區(qū)及該扇區(qū)中的哪個(gè)小三角形區(qū)域中，然后依此確定出相應(yīng)的輸出電壓矢量.扇區(qū)的判斷根據(jù)參考電壓的幅角得出，而判斷其位于該扇區(qū)的哪個(gè)小三角形區(qū)域中則是根據(jù)以下12條規(guī)則來(lái)確定.

圖2 五電平逆變器第Ⅰ扇區(qū)的空間矢量圖

Fig.2 The first sector of the vector of 5level inverters

規(guī)則1：Urefβ≥3Uβ，

規(guī)則2：3Uβ＞Urefβ≥2Uβ，

規(guī)則3：2Uβ＞Urefβ≥Uβ，

規(guī)則4：Urefβ＜Uβ，

規(guī)則5：Urefβ≥3（Urefα-Uα），

規(guī)則6：3（Urefα-Uα）＞Urefβ≥3（Urefα-2Uα），

規(guī)則7：3（Urefα-2Uα）＞Urefβ≥3（Urefα-3Uα），

規(guī)則8：Urefβ＜3（Urefα-3Uα），

規(guī)則9：Urefβ≥3（3Uα-Urefα），

規(guī)則10：3（3Uα-Urefα）＞Urefβ≥3（2Uα-2Urefα），

規(guī)則11：3（2Uα-Urefα）＞Urefβ≥3（Uα-Urefα），

規(guī)則12：Urefβ＜3（Uα-Urefα）.

其中:Urefα，Urefβ分別為參考矢量Uref在α，β軸上的投影分量;Uα=38Udc，Uβ=3316Udc，Udc為直流端電壓.通過(guò)簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算，可以判斷上述規(guī)則的真?zhèn)危鶕?jù)表1可以確定參考電壓矢量所在的位置.

表1 判斷規(guī)則和區(qū)域Ⅰ中各小三角形的關(guān)系

Tab.1 Relationship of judging rules and subtriangle

小三角

形區(qū)域

規(guī)則1

規(guī)則2

規(guī)則3

規(guī)則4

規(guī)則5

規(guī)則6

規(guī)則7

規(guī)則8

規(guī)則9

規(guī)則10

規(guī)則

11

規(guī)則

12

區(qū)域1

區(qū)域2

區(qū)域3

區(qū)域4

區(qū)域5

區(qū)域6

區(qū)域7

區(qū)域8

區(qū)域9

區(qū)域10

區(qū)域11

區(qū)域12

區(qū)域13

區(qū)域14

區(qū)域15

區(qū)域16

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

1

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1

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0

0

1

1

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0

0

1

1

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0

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0

0

0

1

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0

1

1

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0

0

0

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0

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1

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0

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0

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0

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1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

表1是以扇區(qū)Ⅰ為對(duì)象進(jìn)行討論的，如果參考矢量位于其他扇區(qū)，則可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)歸一化處理［12］，然后再利用上述12條規(guī)則來(lái)判斷參考矢量位于哪個(gè)小三角形區(qū)域中.判斷出參考電壓矢量所在的位置后，就可以根據(jù)矢量表得到合成參考矢量的輸出電壓矢量.

為了減少開(kāi)關(guān)頻率，起始矢量全部采用小三角形中偏小的那個(gè)矢量，兩個(gè)相鄰的小三角形區(qū)域矢量的變化方向完全相反，這樣能夠避免在扇區(qū)切換的過(guò)程中發(fā)生矢量突變.以圖2中的10，11兩個(gè)小三角形區(qū)域?yàn)槔齺?lái)進(jìn)行說(shuō)明.假設(shè)10區(qū)域的矢量作用順序?yàn)椋?-2-2，2-2-2，2-1-2，2-1-1，2-1-2，2-2-2和1-2-2，則11區(qū)域的矢量作用順序?yàn)椋?-2-2，1-1-2，2-1-2，2-1-1，2-1-2，1-1-2和1-2-2，前者先逆時(shí)針后順時(shí)針，后者是先順時(shí)針后逆時(shí)針.如果后者也與前者矢量作用順序一致，則其起始矢量為2-1-1，這樣從1-2-2到2-1-1就增加了3個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作.圖3為10區(qū)域的矢量作用順序圖.

圖3 七段式開(kāi)關(guān)作用次序圖

Fig.3 7segment switching sequences

從圖3可以看出:在每個(gè)采樣周期三相電壓矢量變化6次，另外在每個(gè)扇區(qū)中小三角形區(qū)域變換的過(guò)程中三相電壓矢量也會(huì)產(chǎn)生3次變化（設(shè)參考電壓位于最外層），由表3還可以看出:一次矢量變化將引起一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和另外一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷，即一個(gè)開(kāi)關(guān)周期.據(jù)此，可以計(jì)算出當(dāng)采樣頻率一定時(shí)，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率.當(dāng)取f1=50 Hz，fs/f1=42，參考電壓位于最外層時(shí)，可以計(jì)算出逆變器平均每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率為:

f=6×(6×7+3)×5024=562.2 Hz

2.2.2 計(jì)算各個(gè)矢量作用時(shí)間

確定輸出矢量后，就要計(jì)算每個(gè)輸出矢量的作用時(shí)間，這個(gè)時(shí)間也對(duì)應(yīng)著開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間.以圖2為例分析空間電壓矢量的合成.假設(shè)期望的電壓矢量落在10小三角形中，據(jù)鄰近三矢量合成原則，期望的電壓矢量將由矢量UG，UK和UL合成，由空間電壓矢量合成的伏秒平衡原則有:

UrefTS=UGTG+UKTK+ULTL，(2)

TG+TK+TL=TS .(3)

根據(jù)式(2)，式(3)可以計(jì)算UG，UK和UL矢量的作用時(shí)間分別為:

TG=4TS-4UrefαUTS-43UrefβUTS，

TK=4UrefαUTS-3TS-43UrefβUTS，

TL=-83UrefβUTS.

其中：U=3Udc/2，當(dāng)參考電壓落在其他小三角形區(qū)域時(shí)，也可以根據(jù)伏秒平衡公式計(jì)算各矢量的作用時(shí)間，如表2所示.

表2 第1扇區(qū)各個(gè)電壓矢量作用時(shí)間

Tab.2 Voltage vectors duration for each subtriangle in the sector 1

小三角

形區(qū)域

T1

T2

T3

區(qū)域1

區(qū)域2

區(qū)域3

區(qū)域4

區(qū)域5

區(qū)域6

區(qū)域7

區(qū)域8

區(qū)域9

區(qū)域10

區(qū)域11

區(qū)域12

區(qū)域13

區(qū)域14

區(qū)域15

區(qū)域16

TS［1-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS［2-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(1-83/3Urefβ/U)

TS［2-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS［3-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(1-83/3Urefβ/U

TS［3-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(2-83/3Urefβ/U)

TS［3-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS［4-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(1-83/3Urefβ/U)

TS［4-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(2-83/3Urefβ/U)

TS［4-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

TS(3-83/3Urefβ/U)

TS［4-4(Urefα+3/3Urefβ)/U］

4TS (Urefα-3/3Urefβ)/U

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-1］

TS［1-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

4TS (Urefα-3/3Urefβ)/U

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-2］

TS［2-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-1］

TS［1-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

4TS (Urefα-3/3Urefβ)/U

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-3］

TS［3-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-2］

TS［2-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

TS［4(Urefα-3/3Urefβ)/U-1］

TS［1-4(Urefα-3/3Urefβ)/U］

4TS (Urefα-3/3Urefβ)/U

TS (83/3Urefβ/U)

TS (83/3Urefβ/U)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-1］

TS (83/3Urefβ/U-1)

TS (83/3Urefβ/U)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-2］

TS (83/3Urefβ/U-1)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-2］

TS (83/3Urefβ/U-2)

TS (83/3Urefβ/U)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-3］

TS (83/3Urefβ/U-1)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-3］

TS (83/3Urefβ/U-2)

TS［4(Urefα+3/3Urefβ)/U-3］

TS (83/3Urefβ/U-3)

采用七段式矢量作用順序，各段矢量的作用時(shí)間如圖3所示.在這里，A矢量包含兩種矢量，其作用效果相同，圖中的K為這兩種矢量作用時(shí)間的分配系數(shù)，中間矢量的作用時(shí)間為TS-2KTG-TK-TL，這是考慮到在計(jì)算過(guò)程中存在誤差，如此可以消除誤差.如果參考矢量位于其他小三角形區(qū)域中同樣可以計(jì)算出每個(gè)矢量的作用時(shí)間.

2.2.3 中點(diǎn)電壓的平衡控制

中點(diǎn)鉗位五電平逆變器中點(diǎn)電壓的控制可以通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)組合來(lái)實(shí)現(xiàn).

中點(diǎn)鉗位五電平逆變器共有5種輸出矢量，每種輸出矢量對(duì)應(yīng)著8個(gè)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，能夠獲得這5種矢量的開(kāi)關(guān)組合共有12種.在這12種組合中，對(duì)應(yīng)-2和2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是不變的，變化的是-1，0，1所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài).而-2和2所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使3H橋的橋臂等效連接在電源正負(fù)極上，這樣對(duì)中點(diǎn)電壓是沒(méi)有影響的.要減少輸出矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，就要減少-1，0，1這3個(gè)矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響.本文選用的開(kāi)關(guān)組合如表3所示（其中“1”表示開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，“0”表示開(kāi)關(guān)關(guān)斷）.從表中可以看出， 0矢量對(duì)中點(diǎn)電壓也是沒(méi)有影響的.因此，在5種輸出矢量中只有-1和1對(duì)中點(diǎn)電壓有影

表3 3H橋輸出5種電平時(shí)各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)

Tab.3 Relationship between the output voltage 

and the switch state of the 3HBridge

輸出電壓

S11

S12

S13

S14

S21

S22

S23

S24

-2E

-E

0

E

2E

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0

響，這樣最大限度地減少了輸出矢量對(duì)中點(diǎn)電壓的影響，而且這種組合能夠使輸出電平從-2E變化到2E的過(guò)程中，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)只變化一次，從而減少了開(kāi)關(guān)頻率，降低損耗.

3 仿真結(jié)果及其分析

基頻f1取25 Hz 50 Hz和75 Hz 3種情況，直流端電壓Udc為1 000 V，采用星形連接的RL三相對(duì)稱負(fù)載，R=100 Ω，L=1H.SVPWM控制fs/f1=42，K=1/3，SPWM控制載波比取fs/f1=45(此時(shí)逆變器平均每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率f約為45×f1×6÷24，當(dāng)f1=50 Hz時(shí)，f約為562.5 Hz，與空間矢量調(diào)制相等).

圖4為不同基頻和調(diào)制度下的線電壓波形（M/f1=定值，即V/f1不變），從圖中可以看出：當(dāng)M=0.866（定義調(diào)制度M=2|Uref|/3Udc）時(shí)線電壓的電平數(shù)為9，可見(jiàn)仿真結(jié)果是正確的.

圖4 線電壓波形

Fig.4 Linetoline voltage waveform

圖5為三相電流波形，從圖中可以看出：當(dāng)M不變時(shí)，在不同的基頻下，電流的幅值是不相等的，這是由于負(fù)載中存在電感的緣故.頻率越高，負(fù)載的阻抗越大.

為了突出使用空間矢量調(diào)制的多電平逆變器的優(yōu)點(diǎn)，分別對(duì)SVPWM控制和SPWM控制逆變器時(shí)在調(diào)制度不變（SVPWMM=0.866，SPWMM=0.99）的情況下（即輸出電壓基波幅值不變）輸出線

圖5 M=0.866時(shí)三相電流波形

Fig.5 Threephase current waveform when M=0.866



電壓波形進(jìn)行了頻譜分析，分析結(jié)果如圖6和圖7所示.從圖6，圖7可以看出，當(dāng)fs/f1一定時(shí)，逆變

圖6 SVPWM控制中點(diǎn)鉗位H橋五電平

逆變器線電壓頻譜圖

Fig.6 Spectrum of linetoline voltage of 

NPC/Hbrige with SVPWM圖7 SPWM控制中點(diǎn)鉗位H橋五電平

逆變器線電壓頻譜圖

Fig.7 Spectrum of linetoline voltage of NPC/Hbrige with SPWM

器輸出線電壓的THD變化很小，通過(guò)對(duì)比圖6和圖7，可以看出當(dāng)逆變器使用SVPWM控制時(shí)（f1=50 Hz），其輸出線電壓的THD為14.46%，明顯少于使用SPWM控制逆變器時(shí)的21.70%，而且其直流電壓利用率也明顯高于SPWM控制.4 結(jié) 論

提出一種中點(diǎn)鉗位H橋五電平逆變器的SVPWM算法，并對(duì)其進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果表明，五電平逆變器使用SVPWM控制時(shí)，其輸出波形明顯優(yōu)于SPWM控制，其相對(duì)于SPWM控制具有諧波含量更少，直流母線電壓利用率更高等優(yōu)點(diǎn).同時(shí)仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出的SVPWM算法的可行性和有效性.

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