三電平SVPWM并網逆變器的仿真研究

崔亞心　 李斌

摘要：由于三電平并網逆變器在減小電流的諧波，改善電壓的波形方面都比兩電平并網逆變器更有優勢，為此本文以兩級式的三相三電平并網逆變器為研究對象，分析了二極管鉗位型三電平逆變器主電路的拓撲結構和工作原理，建立了三電平SVPWM算法的數學模型，并通過Matlab的仿真分析，驗證了其可行性。

關鍵詞：三電平逆變器；空間電壓矢量脈寬調制；simulink仿真

本文研究的并網逆變系統采用的是兩級結構 ，前一級為直流變換電路，用來升降壓和實現最大功率跟蹤控制；后一級為DC-AC逆變電路，用來實現直流電到交流電的逆變，最后通過濾波輸出與電網電壓同步的電能。日前三電平并網逆變器主要的調制策略有正弦波脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）。雖然SPWM的調制方式比較簡單，但是它的電壓利用率卻比較低。而SVPWM的調制策略主要是通過空間電壓矢量切換來獲得準圓形旋轉磁場實現對逆變器的驅動控制，它的電壓利用率較高，輸出的諧波較小，算法也較靈活。因此逆變器在較低的頻率下，也能輸出較好的電能。

1 三電平SVPWM并網逆變器拓撲結構

三電平SVPWM的拓撲結構采用2個電容串聯， 這兩個串聯的電容用來平分直流母線的電壓以得到中間的第三電平零電平。三相橋臂分別為A、B、C橋臂，每一個橋臂都是由4個開關管串聯組成，并且每一個橋臂再用一對串聯箝位二極管并聯到內側的2個開關管上， 它的中心抽頭與中間的零電平相連就實現了中點箝位， 形成了中點箝位型變換器。這樣的拓撲結構大大地增加了電平的數目，而電平數目的增多便帶來了更加豐富的開關矢量元件，由這些開關矢量所合成的電壓諧波分量將明顯減小，電能質量將得到很大的提高 [1]。

2 三電平SVPWM矢量的合成

三相三電平逆變器可以輸出的電壓狀態共有3=27種，其中包括6個長矢量，6個中矢量，12個小矢量和3個零矢量，由于這些矢量存在著冗余度，實際中對應的基本矢量只有19種。實際中Vref在三電平NPC逆變器的空間矢量圖中逆時針旋轉，在某一時刻，Vref將處于某一特殊的三角形中，確定Vref所在的區域，從而確定合成它的基本矢量 [2]。

3 三電平SVPWM算法的實現

將Vref落在的正六邊形分成6個大的區域，每一個大區域又分成了6個小區域，首先判斷給定的參考電壓矢量落在哪個大的區域，然后根據條件判斷參考矢量落在大區域中的哪個小區域，從而確定三個基本合成矢量。根據伏秒平衡原理算出三個基本矢量的作用時間，及分配到每個矢量的時間，再確定合成Vref的三個基本矢量所對應的開關狀態和作用的次序，最終實現對開關器件的驅動控制[2]。

4 三電平SVPWM并網逆變器仿真分析

為了更好地說明三電平拓撲結構驅動信號的調制方法，在MATLAB中搭建了三電平SVPWM并網逆變器的仿真模型[3]。整個系統的仿真參數設置如下：直流母線電壓400V，直流側并聯穩壓電容值均為4700μF，采樣時間為0.00001；LC濾波器的電感，濾波電容IS；輸出頻率50Hz，阻感負載RN=9Ω。通過仿真得到的相電壓、線電壓的波形如圖1所示。得到的單極性調制4個管驅動信號，以及通過濾波電感和濾波電容的作用得到最終的輸出電壓、電流波形圖如圖2所示。

通過仿真對比分析，得到了兩電平與三電平的諧波特性分析如圖3所示，驗證了三電平具有諧波含量小，電能質量更好等特點。

5 總結

本文通過對二極管鉗位式逆變器拓撲結構的分析，采用傳統的算法搭建了Simulink模型，通過與兩電平的SVPWM逆變器對比分析，得到了三電平方案輸出的電壓波形更好、電流諧波更小等優點，明顯地改善了逆變器各方面的性能，驗證了研究的可行性。

參考文獻：

[1]蔡凱，程善美.三電平SVPWM方案的實現[J].電氣傳動自動化，2008 （4）：5.

[2]趙燚.離岸風電場大功率風能變換器及直流連接環節研究[D].河北科技大學碩士學位論文，2015.

[3]王旭.基于FPGA的三電平SVPWM逆變器的設計[D].濟南大學碩士學位論文，2014.

作者簡介：崔亞心（1991-），女，漢族，河北邢臺人，現為河北科技大學2015級碩士研究生，現主要從事分布式太陽能微網發電技術的研究。