NPC三電平逆變器SVPWM控制算法研究

武　浩，王春寧

(青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島 266071)

0　引　言

1980年提出的中點鉗位型三電平逆變器解決了功率元器件耐壓低的問題，改善了逆變器的輸出波形，成為當今電力電子技術的研究熱點。尤其是SVPWM技術在三電平逆變器的應用備受國內外專家的重視。

1　NPC三電平逆變器簡介

1.1　主電路

圖1所示的NPC三電平逆變器每個橋臂由兩個IGBT和兩個反并聯二極管組成，上下橋臂通過鉗位二極管連接，提高電壓利用率，并減小了IGBT所承受的電壓。

圖1　三電平變換器主電路結構

1.2　工作狀態

逆變器輸出電壓分為P、O、N三種工作狀態，值為+Udc/2、、0-Udc/2，如表1所示。

由于逆變器有3個橋臂，所以三相電壓合成后共有33=27種基本電壓矢量，即27種工作狀態,如圖2所示。

表1　A相工作狀態與對應輸出電壓

圖2　電壓合成空間矢量

2　SVPWM 算法實現步驟

2.1　參考矢量所在區間判斷

圖3　扇區劃分　　　　　　　　　　圖4　第一扇區工作區域劃分

將圖3中的空間矢量圖按照每60°一個扇區，可以分為6個大扇區，然后將每個扇區分為A、B、C、D 4個小區間(如圖4所示)。假設參考電壓矢量為Ur，幅值為U，幅角為θ，可以將每個扇區分為5個工作模式：

即在60°范圍內，當θ1≤θ≤(60°-θ1)時，參考矢量位于C區間，否則位于A區間。

(3)當U=Udc/2時，Ur在C區間內。

即在60°范圍內，當(60°-θ2)≤θ≤60°時，參考矢量位于B區內，當θ2≤θ≤(60°-θ2)時，參考矢量位于C區內，當0≤θ≤θ2時，參考矢量位于D區內。

2.2　空間矢量作用時間的計算

由于對稱性，計算空間矢量作用時間時其他扇區都可以轉化為第一扇區，因此以第一扇區為例確定合成參考矢量的3個基本矢量及作用時間(如圖3所示)。

(1)在A區間內，Ur由矢量Ua0、Uc0和U0合成：

Tc0=2mTssinθ

(2)在B區間內，Ur由矢量Uc0、Uc和Ub合成：

Tc=(2msinθ-1)Ts

(3)在C區間內，：Ur由矢量Ua0、Uc0和Ub合成：

Ta0=(1-2msinθ)Ts

(4)在D區間內，Ur由矢量Ua0、Ua和Ub合成：

Tb=2mTssinθ

2.3　電壓矢量的發送順序

在三電平逆變器中，無論在哪一個區域，起始矢量都為正小矢量或負小矢量，并且開關狀態只允許P-O-N或N-O-P的切換，不允許P-N兩個狀態直接切換，以減少冗余開關狀態，從而減少開關損耗，延長IGBT的壽命。并且采用7段法對矢量作用時間進行分配，以消除偶次諧波，如第一扇區A區間矢量發送順序為OON-OOO-POO-PPO-POO-OOO-OON。

3　SVPWM的MATLAB仿真波形

根據算法介紹對系統進行仿真，如圖5所示，設仿真參數為：控制周期1/5 000 s，系統直流側電壓Udc=600 V，系統輸出頻率為50 Hz，電機為三相鼠籠式異步電機，電機額定電壓為380 V，額定電流為0.75 V，功率為0.25 kW，轉速為1 400 r/min。最終得出的輸出相電壓和線電壓仿真波形如圖6和圖7所示。

圖5　逆變器SVPWM控制的MATLAB仿真

圖6　相電壓波形　　　　　　　　　　　　　　　　圖7　線電壓波形

通過對輸出相電壓和線電壓仿真波形的監測，證明了對三電平逆變器采用SVPWM控制能夠有效改善輸出電壓波形，取得更好的控制效果。

4　結　論

本文從區域劃分、工作模式、矢量作用時間、矢量作用順序等方面對三電平逆變器的SVPWM算法進行了詳細的探究，并用MTALAB/Simulink對電路進行仿真，驗證了上述算法的合理性。

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