NPC三電平逆變器SVPWM的研究

山東科技大學電氣與自動化工程學院 孔凡超 胡世杰 劉孟茹大唐山東電力檢修運營有限公司 牟振天安徽東至縣供電公司 陳汝巍

?

NPC三電平逆變器SVPWM的研究

山東科技大學電氣與自動化工程學院 孔凡超 胡世杰 劉孟茹
大唐山東電力檢修運營有限公司 牟振天
安徽東至縣供電公司 陳汝巍

【摘要】現代交流電機調速系統主要包括電動機和電力電子變頻器，中性點嵌位（NPC）三電平逆變器是應用最為廣泛的逆變器。本文以NPC型三電平逆變器電路為平臺，對空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）算法進行理論研究。利用MATLAB/SIMULINK軟件進行了90°坐標系下SVPWM算法的仿真實驗，并給出了仿真結果。

【關鍵詞】SVPWM；三電平逆變器；仿真

0　引言

早在20世紀80 年代，德國的H.Wvander Broeck 教授等就已經提出了電壓空間矢量脈寬調制策略［1］。隨著電力電子器件的發展，SVPWM算法以電壓率利用高（通常比SPWM高15%左右）、極易數字化等優點，被廣泛的應用到三電平逆變器上。三電平逆變器的空間矢量有27個，合成某個空間矢量的選擇性很多，設計高效、簡單的調制方法成為SVPWM算法的研究熱點［2，3，4］。

本文首先分析了SVPWM的原理，然后從參考矢量的扇區判斷和合成矢量的選擇入手，設計一種基于90°坐標系的SVPWM算法，最后利用MATLAB/SIMULINK仿真得出實驗結果。

1　SVPWM的原理簡介

圖1　NPC型三電平逆變器主電路

圖1是典型的NPC三電平逆變器的拓撲結構，Vdc為直流電源，直流側有C1、C2兩個容量相等的電容，每個電容分得的電壓是Vdc/2；每個橋臂由4個IGBT、兩個嵌位二極管、4個續流二極管組成。

根據橋臂上開關的三種導通狀體，每個橋臂可以輸出三種電平，即每個橋臂有三種工作模式。以第一個橋臂為例，工作模式1：只有Q1兩個開關都導通，橋臂輸出Vdc/2；工作模式2：Q1下和Q2上兩個開關導通，橋臂輸出電壓為0；工作模式3：只有Q2兩個開關導通，橋臂輸出-Vdc/2。

當三相正弦電壓加在交流電機的三個繞組上時，電機磁鏈在α-β坐標系呈現圓形的運動軌跡。我們定義空間電壓矢量：

式中α=ej2/3π，Ua、Ub、Uc是三相交流電。三電平電路一個橋臂只能輸出Vdc/2、0、-Vdc/2三種電壓值，即每相只有正（P）、零（0）、負（N）三個開關狀態。所以，三電平逆變器有33=27種開關組合，對應27個空間向量，在α-β平面27組向量的分布圖如圖2所示。

圖2　三電平逆變器電壓矢量分布圖

定義電壓參考向量：

其中，Vref是Vref的模值，θ為空間角度。式中，SVPWM算法的核心思想是用矢量合成電壓逼近參考電壓Vref。參考矢量扇區可以通過θ角來判斷，設0°＜θ≤60°為第一扇區，60°＜θ≤120°為第二扇區，120°＜θ≤180°為第三扇區，180°＜θ≤240°為第四扇區，240°＜θ ≤300°為第五扇區，300°＜θ≤360°為第六扇區。下面以第一扇區為例，選擇合成矢量，計算矢量作用時間，其他扇區同理可得。

將第一扇區，分成A、B、C、D四個小的區間，參考矢量Vref落到哪個小區間，就用哪個區間矢量來合成它。

其中，Vdc是直流母線電壓，Vα和Vβ是參考矢量在90°坐標系的x軸分量和y軸分量。

當滿足條件（3）時，參考矢量位于A區間；滿足條件（4），位于（B）區間；滿足條件（5），則位于C區間；都不滿足則位于D區間。參考矢量的小區間確定后，應該用最近三角矢量法（NTC），來合成參考矢量，這樣可以減小電壓的諧波含量。以參考矢量位于B區間為例，選擇V0、V10、V20矢量來合成。由“伏秒平衡”原理可知：

由式（6）和式（7）確定基本矢量作用的時間：

同理可得第一扇區其他小區間的作用時間，如表1所示。其它扇區矢量的作用時間可以通過旋轉θ角來實現。

表1　基本矢量作用時間

對于矢量的合成方法很多，采用中心對稱的7段脈沖序列，可以有效降低諧波含量。

2　實驗仿真與分析

為了驗證SVPWM算法的有效性，本文在仿真中引入阻感負載，如圖3所示。電感L為0.02mH，電阻R為11Ω，Vref為400V，Ts為1/2000S。輸入有參考電壓Vref、調制比m、參考電壓頻率f和采樣周期Ts，輸出是PWM脈沖序列。具體算法，根據第2節的原理，通過C語言編程來實現扇區的判斷和每個矢量作用時間的計算。因為在拓撲結構中，上下橋臂的1、3開關和2、4開關不能同時開通，所以我們只需計算兩個開關的PWM序列，然后取反就可以得到另外兩個開關的PWM序列。

圖3　逆變器帶阻感負載的仿真模型

圖4　線電壓波形

圖5　線電流的波形

調制比m的取值范圍是0到1，為保證系統中性點點位的穩定，一般m要略小于1，當m=√3Vref/Vdc=0.99時，逆變器線電壓和線電流波形如圖4、圖5所示。

當m=0.3時，線電壓和線電流波形如圖6、圖7所示。

由圖4和圖6可知，調制比m較小時，負載線電壓波形由三種電平組成，參考矢量Vref位于內部小六邊形內，所以線電壓波形相當于兩電平逆變器的波形；當調制比m較大時，負載的線電壓變成五種電平，線電壓波形比兩電平逆變器的波形更接近正玄波，驗證了三電平逆變器的優越性。

圖6　線電壓波形

圖7　線電流波形

由于負載是對稱的阻感負載，m=0.3和m=0.99時的線電流波形都接近正弦波。當m=0.99時，可選擇的電壓合成矢量更多，合成的磁鏈更圓，所以電流波形更圓滑。

參考文獻

［1］趙輝，胡仁杰.SVPWM的基本原理與應用［J］.電工技術學報，2015，30（14）.

［2］陳光明，包達飛.基于MATLAB仿真的SVPWM技術研究［J］.機械制造與自動化.2014，03.

［3］Bimal K.Bose.Modem Power Electronics and AC Drives［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］王興，楊振強.電壓空間矢量的原理及其在DSP上的實現［J］.電機技術.2005，03.

［5］李新瑞.NPC三電平逆變器及其中點電位平衡研究［碩士論文］.中國石油大學.2009.

［6］ 劉成友，周鑫，張華為，等.三電平逆變器簡化SVPWM算法仿真與實現［J］.鄭州輕工業學院學報.2015，30（5/6）.

作者簡介：

孔凡超（1990-），男，山東科技大學研究生，電氣工程專業。