基于三電平典型拓撲結構的SVPWM調制策略研究

摘要：當前，我國的新能源技術面臨發電量受外界因素影響較大、電能不能穩定輸出等問題，大功率變換器的使用是解決此問題的關鍵，多電平逆變器能夠滿足大功率變換器的高壓大功率化需求。文章以T型三電平逆變器為研究對象，分析了其調制算法和中點電位平衡問題，并進行了仿真驗證。根據空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）算法的原理，文章分析了中點電位不平衡對空間電壓矢量作用的不良影響。基于MATLAB/Simulink平臺，文章搭建了仿真模型，仿真結果證明了三電平SVPWM算法對中點平衡控制策略的有效性。所提方法能夠彌補原有算法操作復雜的不足，對三電平乃至多電平逆變器的工程應用具有促進作用。

關鍵詞：T型三電平逆變器；中點電位不平衡；SVPWM算法

中圖分類號：TM464；TP273文獻標志碼：A

0 引言

隨著現代電力電子技術的迅速發展，適用于不同場合的多電平逆變器所具有的拓撲結構層出不窮，所對應的調制算法也千差萬別。T型三電平逆變器利用2個反向串聯的功率開關管將直流母線側的中點與輸出端相連，實現中點箝位功能和零電流切換。當中點電位發生變化時，T型三電平逆變器拓撲能夠解決上、下橋臂的開關管功率損耗分布不均的問題，但存在中點電位動態不平衡的問題［1］。

空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的算法原理是將逆變器的輸出狀態轉化為空間電壓矢量，通過空間矢量的切換控制三電平變流器的開關管工作。SVPWM算法所形成的系統模型簡單，輸出波形在大范圍調制比內具有良好的性能、較小的輸出諧波含量以及較高的電壓利用率，易于實現抑制中點電位波動、減小諧波含量、減少開關頻率等控制目標［2］。

因此，本文以三電平T型逆變器為研究對象，深入研究其SVPWM策略，彌補原有算法復雜、實際操作困難的缺陷；利用簡易算法實現T型三電平逆變器的SVPWM；建立MATLAB/Simulink模型，分析了SVPWM算法對中點電位不平衡問題的抑制作用。

1 三電平SVPWM算法仿真

1.1 SVPWM算法仿真思路

三電平逆變器系統可以分為參考電壓矢量采樣、SVPWM控制、主電路、負載電路等部分，其中SVPWM控制應用SVPWM算法，是系統的主要組成部分，也是仿真的重點。SVPWM控制模塊將按照傳統三電平SVPWM算法的3個步驟大致分為3個模塊進行仿真。

在三電平逆變器系統的仿真過程中，既可以使用MATLAB/Simulink提供的器件，又可以根據原理搭建具有相應功能的模塊。由于選擇的算法不同，對軟件的熟悉程度不同，可用不同的仿真方法來搭建具有相同功能的仿真模塊［3］。本文將對三電平SVPWM算法的參考電壓矢量模塊、區域判斷模塊、時間計算模塊、時間狀態分配模塊以及主電路仿真模塊進行詳細說明。

1.2 參考電壓矢量模塊

針對參考向量的采樣，基于MATLAB/Simulink提供的相關電力器件，本文直接給出參考向量的實部、虛部或模值、幅角。但由于參考矢量選擇的數目較多，采樣數據具有離散性，并不適合此方法［4］。對此，本文首先擬利用合成法，將3個輸出電壓三角函數量綜合成1個參考矢量；然后把參考矢量分解成實部、虛部和模值、幅角；最后將參考矢量作為輸入量。參考電壓矢量模塊的內部邏輯結構如圖1所示。

1.3 區域判斷模塊

T型三電平SVPWM算法將空間向量分為6個較大的區域，每個區域之間的間隔為60°，在模擬過程中使幅角作為變量。大區域判斷仿真邏輯結構如圖2所示。該算法將空間矢量Vref看成幅值為Um、相角為θ的相量，在不同的坐標系下進行分解，根據θ的大小將空間向量分成6個大扇區。

根據小扇區判斷算法，本文在Simulink中直接搭建小扇區判斷仿真模型，通過假設法判斷出對應的小扇區，仿真邏輯結果如圖3所示。相較于兩電平的組合法，此方法邏輯更為簡單。

1.4 時間計算模塊

直接法是一種先搭建所有區域的作用時間模塊，再利用Simulink中的多路選擇開關器件選取參考矢量對應區域作用時間的方法［5］。直接法導致系統模塊過多，本文采用更為簡單的邏輯法搭建模型。時間邏輯關系仿真模型如圖4所示。

由圖4可知：不同區域的基本矢量作用時間存在一定的邏輯關系。在此基礎上，只要選取某一大區的全部作用時間為參考，其他5個大區的作用時間便可根據參考時間的邏輯關系得出。在模擬時，本文不需要建立所有區域的作用時間，只需要建立基準時間的仿真模型和作用時間邏輯關系模擬模型，并給出了該模型的時間邏輯關系。

1.5 時間狀態分配模塊

時間狀態分配的目的是確定各個基本矢量對應的開關狀態及作用次序，將基本矢量對應的作用時間分配給相應的開關狀態，生成主電路開關器件的觸發波形，完成對開關器件的控制。時間狀態分配模塊是三電平SVPWM算法的關鍵部分［6］，其仿真模型如圖5所示。

狀態分配模塊使用分步法［7］：

（1）步驟1，完成七段式時間分配，各區域的基本矢量作用時間按短矢量為各采樣周期起始矢量的次序進行排列，各區域的七段式時間分配方式相同，可共用相同時間分配模塊；

（2）步驟2，實現矢量狀態次序，按照狀態作用次序原則，每個采樣周期都使用一個負短矢量作為起始矢量；

（3）步驟3，實現矢量狀態向開關狀態的轉化，三電平逆變器主回路的三相電平分為高、低、零電平3種矢量狀態，三電平逆變器主回路的開關元件分為OFF、ON 2種開關狀態，矢量狀態和開關狀態之間存在一定關系。

通過上述3個步驟的連續執行，能夠實現時間狀態分配模塊的仿真。

1.6 主電路的仿真

三電平逆變器的仿真可以分成電源模塊、T型三電平拓撲結構、三相對稱負載模塊，設立中點電位檢測示波器，便于后續觀察調制波對電位產生不平衡的影響，仿真參數如表1所示。

2 SVPWM仿真結果及分析

按照第一章介紹的模擬方法及過程，實現三電平逆變器系統的模擬。設母線電壓Udc為750 V，調制比m按220 V相關公式計算，基波頻率為50 Hz。T型三電平逆變器經過SVPWM算法調制后，得到輸出相電壓和電流的波形，如圖6所示。

由圖6可知，線路電壓輸出的階梯波接近于正弦波，切換頻率有所下降。這說明所提調制策略不僅能提高波形質量，還能有效減少切換損耗。進一步說明了所提策略能夠有效減小器件的電壓應力，解決器件在高功率、高電壓環境下的應用問題，降低器件的制造成本。逆變器并網后系統電壓趨于平穩。仿真驗證結果表明所提SVPWM算法具有可行性。

3 中點電位不平衡問題的改善

3.1 導致中點電位問題因素及仿真體現

電容兩端的電壓大小由正負兩端的電荷量與電容本身的大小決定。分壓時如果電容值不均勻，就會導致中性點不平衡，這是由生產工藝造成的。而大多數情況下，這種不平衡是由上下電容的正負兩端電荷量的差異以及上下電容的充放電不均勻造成的。以下是一些造成電容中性點不平衡的特定因素［8］：

（1）生產工藝造成的電容參數不均；

（2）開關延遲及死區；

（3）由無功電流引起的中點電位的周期變化以及由有功電流引起的中點電位的變化；

（4）T型三電平調制算法本身。

SVPWM算法實現時間調制形成的羊角波和馬蹄波，在不同的區域，羊角波適用于大扇區，而馬蹄波適用小扇區，導致調制度不同。在沒有中點電位平衡系統的干預下，羊角波、馬蹄波調制下的中點電位波形如圖7所示。

由圖可知：無論是羊角波還是馬蹄波，電位差均存在，并在0.4～1.5 V，輸出的電壓波動大，重合部分少，波形粗糙，含有大量諧波，中點電位失衡，影響三電平逆變器效果。

3.2 中點電位的控制原理及仿真分析

解決中點電位不平衡問題的關鍵思想是電荷守恒，通過調整電容C1、C2的兩端電荷量來維持中點電位的平衡。主要控制方法是：當C1的電壓大于C2的電壓時，需要對中性點加入電荷，即流入電流；當C1的電壓小于C2的電壓時，對中性點減少電荷，即流出電流。根據以上原理和具體算法搭建中點電位平衡系統［9］。

當SVPWM算法采用七段式發波順序，得到如圖8所示的羊角調制波，在此系統中加入中點電位平衡系統后，得到如圖9所示的中點電位波形。

由SVPWM算法可輸出如圖10所示的馬鞍調制波，在此系統中加入中點電位平衡系統后，得到如圖11所示的中點電位波形。

由以上仿真結果可以看出，在沒有電位平衡系統的情況下，電容兩側電壓波動在6.38%，馬鞍波和羊角波的效果不一致，基于上述仿真結果可得如下3種對比結果。

3.2.1 對比結果1

將圖7（a）與圖9進行對比，即采用羊角調制波時將中點電位調制前、后的波形進行對比，結果如表2所示。由表可知：采用羊角波調制前、后，電壓波動最大減少0.412%，總體呈下降趨勢，波動數值逐漸減小，更接近電壓為375 V的直線波形。

3.2.2 對比結果2

將圖7（b）與圖11進行對比，即采用馬鞍調制波時，將中點電位調制前、后的波形進行對比，對比結果如表3所示。由表可知：采用馬鞍波調制前、后，電壓波動減少到0.02%，且總體呈下降趨勢，波動數值逐漸減小，更接近電壓為375 V的直線波形。

3.2.3 對比結果3

將圖9與圖11進行對比，即采用中點電位調制后，將羊角波和馬蹄波的調制結果進行對比，對比結果如表4所示。由表可知：采用馬鞍波調制后電壓波動降到0.02%，動作時間為0.006 s，相比于羊角波調制反應速度慢；羊角波調制后波動降為0.0018%，且動作為0.004 s，羊角波調制效果比馬鞍波的速度快，效果好。

綜上3組對比結果，證明了采用SVPWM算法對中點電位平衡控制作用的有效性。

4 結語

多電平逆變器是逆變器發展的趨勢，本文以T型三電平逆變器為研究對象，重點分析了T型三電平逆變器的調制算法問題和中點電位平衡問題，對這2個問題的解決方法進行仿真研究。本文主要對空間矢量調制方法進行研究，建立了空間電壓矢量的數學模型，根據最近三矢量原則選擇3個狀態矢量來合成參考電壓矢量；利用伏秒平衡原理計算各個矢量作用的時間，優化了輸出矢量的開關順序；根據SVPWM算法的原理分析了中點電位不平衡對空間電壓矢量作用的不良影響。本文利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，驗證了三電平SVPWM調制算法對中點平衡控制策略的有效性。

參考文獻

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［9］聶衛民.三電平逆變器的PWM控制策略研究［D］.長沙：湖南大學，2004.

Research on SVPWM modulation strategy based on three-level typical topology structure

Abstract： Currently， the development of new energy technologies in our country faces problems such as large external factors affecting power generation and unstable output of electrical energy. Application of high power converters are the key solution to solve this problem，and the multi-level inverters can meet the requirements of824924e4cb402294d08e6b9481caddfd82941992460121e53dbc581b2ca2e315 high voltage and high power transformation of high-power converters. Taking the T-type three-level inverter as the research object， this article analyzes its modulation algorithm and midpoint potential balance problem， and conducts simulation research. Based on the principle of SVPWM modulation algorithm， the adverse effects of midpoint potential imbalance on space voltage vector are analyzed. A simulation model is built based on MATLAB/Simulink platform， and the effectiveness of three-level SVPWM modulation algorithm on midpoint balance control strategy is verified by the simulative results. The proposed method compensates for the shortcomings of complex algorithm operations and has a promoting effect on the engineering application of three-level and even multi-level inverters.

Key words： T-type three-level inverter; midpoint potential imbalance; SVPWM algorithm