一種多電平SVPWM算法的研究

李高峰，楊泰朋，李俊杰，戴鵬

（中國礦業大學信息與電氣學院，江蘇 徐州 221008）

一種多電平SVPWM算法的研究

李高峰，楊泰朋，李俊杰，戴鵬

（中國礦業大學信息與電氣學院，江蘇 徐州 221008）

分析了二極管箝位型五電平逆變器的拓撲結構及其工作原理。研究了一種基于線電壓坐標系的簡化SVPWM算法。該算法無需進行扇區判斷，只需要判斷小三角形的方向和簡單的運算，就可以確定合成參考電壓矢量的三個基本電壓矢量及其作用時間，提高了計算的速度。對基于線電壓坐標系的五電平SVPWM算法進行仿真研究及實驗驗證，仿真和實驗結果驗證了該算法的有效性。

五電平；線電壓坐標系；空間矢量脈寬調制

自1980年二極管箝位型逆變器拓撲結構被提出以來[1]，多電平逆變器就受到了越來越多的關注，其中以日本學者提出的二極管中點箝位型拓撲結構最具代表性[2]。但隨著電平數的增加，多電平逆變器的控制也愈加復雜，因此需要尋求一種快速、通用的SVPWM控制策略。

傳統五電平SVPWM算法十分復雜，因此難以得到實質性的運用。為了降低算法的復雜性，學者提出了一種基于線電壓坐標系的空間電壓矢量PWM控制方法[3-5]。該算法將、、三相坐標系變換到、、三相線電壓坐標系上，選取了物理意義比較明確的線電壓坐標系[6]，而且該算法不需要大量的計算及查表，提高了計算速度，通用性強，適用于多電平空間電壓矢量PWM的控制。

本文將線電壓坐標系下的SVPWM算法運用到二極管箝位型五電平逆變器中，進行了Matlab仿真和實驗研究，實驗結果驗證了該算法的可行性。

1 二極管箝位型五電平逆變器的工作原理

圖1 二極管箝位型五電平逆變器相主電路

2 五電平空間電壓矢量分析

三相五電平逆變器每相的輸出有5個電平，因此五電平逆變器共有53=125種開關狀態，其中最長電壓矢量有6個，中間電壓矢量共有114個，零電壓矢量共有5個。五電平空間電壓矢量圖如圖2所示，開關狀態的冗余度從里到外依次減少，中間密集度最大。

圖2 α-β坐標系下五電平逆變器空間電壓矢量圖

根據電壓矢量的合成公式：

由式（1）可知，125種開關狀態將五電平逆變器空間電壓矢量圖分解成96個小三角形。

3 線電壓坐標系SVPWM算法

在圖2中，每個小三角形都是等邊三角形，為了利用這一特性，選擇線電壓坐標系。這樣一來，任意小三角形的3條邊都垂直于坐標軸、及，參考電壓矢量的頂點到所在三角形3條邊上的距離等于參考矢量在3個坐標軸上的投影。

該算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

3.1 建立線電壓坐標系

經過坐標變換后得到線電壓坐標系下的電壓矢量圖如圖4所示。

圖4 線電壓坐標系下五電平空間矢量

3.2 基本電壓矢量選擇及作用時間計算

確定好參考電壓矢量的投影后，對投影的坐標向上向下取整就可確定參考電壓矢量所在的小三角形，3個基本電壓矢量就可以確定下來。如下：

式中：floor為向下取整，ceil為向上取整。

圖5 參考矢量對應的兩類小三角形

3.3 將矢量映射為開關狀態

該算法最大的優點在于它可以將所選擇的電壓矢量映射為三相逆變器的開關狀態。因此，設在線電壓坐標系下電壓矢量為(a,?,c)，該矢量對應的開關狀態則：

表1 圖5(a)所示三角形頂點所對應的開關狀態

4 仿真研究

圖6 不同調制度下的仿真波形

5 實驗結果

本文搭建了基于DSP和FPGA的控制系統上的實驗平臺。DSP完成基本電壓矢量的確定、作用時間的計算和各開關管脈沖寬度的計算。通過TMS320F28335的EPWM控制發出獨立的三相上橋臂不帶死區的12路PWM脈沖；FPGA完成PWM脈沖的取反擴展和死區添加，輸出24路帶有死區的PWM脈沖。主電路直流側采用4個1 800μF/400 V的電解電容進行分壓；吸收電路采用RCD型，電容為0.2μF/630 V的無感電容，電阻為10W、27 kΩ的功率電阻；開關管采用IRF840型MOSFET；驅動芯片采用HCPL316J；二極管采用MUR860超快恢復二極管。

最后在二極管箝位型五電平實驗平臺上完成了相關實驗，采用電能質量分析儀對直流側電壓為220 V、調制度為0.8、輸出頻率為50Hz下的線電壓波形進行觀察，實驗結果如圖7所示，實驗結果進一步驗證了SVPWM算法及系統的可行性和正確性。

圖7 線電壓波形

6 結論

本文介紹了五電平逆變器基本工作原理，分析了一種基于線電壓坐標系的SVPWM算法，該算法適用于多電平變換器的PWM控制。該算法的優點在于不需要進行扇區判斷，只需要判斷小三角形的方向和簡單的運算，就可以確定合成參考電壓矢量的3個基本電壓矢量及其作用時間，因此避免了復雜的數學計算。本文還針對該算法進行了仿真研究和實驗驗證，結果驗證了改算法的有效性。

[1]NABAE A,TAKAHASHII,AKAGIH.A new neutral point clamping PWM inverter[J].IEEE Trans on Industrial Application,1981,17(5): 518-523.

[2]鄧焰，葉浩屹.完全的無源軟開關功率逆變器的研究[J].電工技術學報，2002，17(1)：40-46.

[3]孟永慶，劉正，蘇彥民.新型三電平逆變器SVM方法的研究[J].電氣傳動，2005，35(7)：35-37.

[4]朱洪順，符曉，戴鵬.基于FPGA的三電平SVPWM新型算法的實現[J].電氣傳動，2011，41(11)：29-31.

[5]曾允文.變頻調速SVPWM技術的原理、算法與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[6]王琛琛，李永東，高躍.基于通用多電平SVPWM算法的三電平無速度傳感器矢量控制系統[J].電工技術學報，2007，22(9)：108-110.

A kind ofmulti-level SVPWM algorithm

LIGao-feng,YANG Tai-peng,LIJun-jie,DAIPeng

The topology and the operating principle of diode clamped five-level inverterwere analyzed.A simplified SVPWM algorithm based on the line voltage coordinates was studied.This algorithm did not need the judgment of sectors,itonly needed to judge the direction of the triangle and simp le operation to determ ine the three basic voltage vectors and action time of synthesizing reference voltage vector,greatly increasing calculation speed.The simulation study and experimental verification of five-level SVPWM algorithm based on the line voltage coordinates was conducted,and the results prove the validity of the algorithm.

five-level;line voltage coordinates;SVPWM

TM 464

A

1002-087 X(2014)05-0927-03

2013-10-25

李高峰（1988—），男，江蘇省人，碩士，主要研究方向為電力電子與電力傳動。