三電平SVPWM算法的仿真

楊輝

【摘 要】針對現在開關頻率的不合理，導致能耗大的問題，從而提出了空間電壓矢量調制法（SVPWM）。它是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調制方法。采取這種方法的好處是電壓的利用率高，易于數字化實現，輸出波形質量好，接近正弦，合理安排空間矢量，可以降低開關頻率，減少開關損耗。所以，本文選用空間電壓矢量調制（SVPWM）作為三電平逆變器的控制方法。

【關鍵詞】SVPWM 電壓 波形 損耗

1 SVPWM算法的研究背景及意義

三電平逆變器PWM技術主要對輸出電壓的控制，逆變器本身運行狀態的控制，包括直流電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關的輸出功率平衡控制、器件開關損耗控制等。目前研究比較多的是應用比較廣泛的空間電壓矢量調制法（SVPWM）?？臻g電壓矢量調制法（SVPWM）是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調制方法，采取這種方法，電壓的利用率高，易于數字化實現，輸出波形質量好，接近正弦，合理安排空間矢量，不僅可以降低開關頻率，而且減少開關損耗。所以，本文選用空間電壓矢量調制（SVPWM）作為三電平逆變器的控制方法。

2 三電平基本空間矢量

以交流電機為負載的三相對稱系統，當在電機上加三相正弦電壓時，電機氣隙磁通在靜止坐標平面上的運動軌跡為圓形。設三相正弦電壓瞬時值表達式為：

， （2.1）

則它們對應的空間電壓矢量定義為：

（2.2）

在空間矢量平面上，三電平逆變器的同一基本矢量對應不同的開關狀態，說明逆變器輸出的基本矢量所對應的開關狀態數目具有一定的冗余度。按照基本矢量幅值的不同進一步分類，可以將19個基本矢量及其對應的度低組開關狀態分為四類，分別稱為長矢量、中矢量、短矢量和零矢量。

3 參考電壓矢量合成的原則

為了讓三電平逆變器輸出的電壓矢量接近圓形，并最后得到圓形的旋轉磁通，只有利用逆變器的輸出電平和作用時間的有限組合，用多邊形去接近圓形。

在采樣周期內，對于一個給定的參考電壓矢量Vref'可以用三個基本電壓矢量來合成，根據伏秒平衡原理，其中T1、T2、T3分別為V1、V2、V3矢量對應的作用時間，Ts為采樣周期。根據此方程組可以得到各基本矢量的作用時間。然后根據基本矢量與開關狀態的對應關系，結合其它要求確定所有的開關狀態及其輸出形式。

根據以上所說原則，為了實現三電平逆變器的SVPWM控制，在每個采樣周期內，應分為以下三個步驟：（1）區域判斷。（2）時間計算。（3）時間狀態分配。

4三電平SVPWM算法及仿真

4.1區域判斷

區域判斷的目的主要是找出合成參考電壓矢量的三個基本矢量。先根據三電平基本空間矢量圖將整個矢量空間先分成6個大區域，然后再將每個大區域分成4個小區域。由于基本空間矢量中的短矢量在每個采樣周期中出現的次數多，為了算法及仿真的準確性，將每個大區域細分成4個小區域。

大區域按照矢量角度每。為一區劃分，因此可以按照參考電壓矢量的角度判斷其所在的大區域。根據小區域的區域分布情況和幾何關系，可以按照以下方法判斷參考電壓矢量所在的小區域。

4.2時間計算

判斷出參考電壓矢量所在的區域后，根據NTV（NearestTriangleveetors）法則，就能找到了合成參考電壓矢量的三個基本矢量V1、V2、V3，連同參考電壓矢量Vref一起代入伏秒平衡方程組解出，也就完成了傳統三電平SVPWM算法對基本空間矢量作用時間的計算。

同樣的道理，可以求出參考電壓矢量在其它區域時的基本矢量的作用時間。仔細觀察基本矢量作用時間表內的所用時間表達式，就會發現不同區域的作用時間并不一定是各不相同，而是存在一定的邏輯關系。

4.3時間狀態分配

從三電平SVPWM基本空間矢量圖可以看出，大矢量和中矢量與開關狀態一一對應，短矢量對應2組開關狀態，零矢量有3組開關狀態。由于在每個采樣周期內出現的開關狀態中，短矢量對應的開關狀態出現的次數多，因此選用短矢量作為每個采樣周期的起始矢量。為了使基本矢量對應的作用時間和開關狀態分配簡便一致，本文選用負短矢量作為每個采樣周期的起始矢量。零矢量可以根據開關狀態的作用次序選取。

采用中心對稱的七段式SVPWM波形將基本矢量的作用時間分配給對應的矢量狀態。三相矢量狀態對應全部開關狀態，將基本矢量的作用時間分配給對應的矢量狀態，也就是將開關器件的導通或關斷時間分配給對應的開關器件，完成對主電路開關器件的控制。采用分步法實現間狀態分配。

5基于SVPWM的三電平逆變器

5.1三電平逆變器主結構

為了驗證以上設計的SVPWM算法的正確性，現在以一三電平的逆變器進行仿真測試。

三相三電平逆變器主電路參數為：

Vdc=220V，直流側電容為C1=C2=1mF，每相負載分別為：L1=50mH，R=20 。

5.2仿真結果及分析

搭建好整個系統后，仿真觀察各個部分的仿真結果是否正確。

大區域和小區域判斷仿真結果，可以看出，在一個周期內，參考矢量掃過大區的順序為從I到VI，在每個大區內，掃過的小區順序為2，3，4。

梯形波M仿真結果，梯形波M含有與矢量狀態對應的時間信息，而且是矢量狀態次序選擇信號或分配信號。從仿真結果中可以看出，每個周期含有七級階梯，高度分別為1，2，3，4，5，6，7，作為矢量狀態次序多路選擇開關器件的控制信號輸入。仿真的波形可以看出所設計的SVPWM算法能成功運用在三相三電平逆變電路中，并且逆變效果好，交流側正弦波形THD只有0.56%，失真小，突出了SVPWM技術在多電平電路中的應用優勢。

6結語

空間電壓矢量調制法（SVPWM）是一種建立在空間電壓矢量合成概念上的脈寬調制方法，采取這種方法，電壓的利用率高，易于數字化實現，輸出波形質量好，接近正弦，合理安排空間矢量，可以降低開關頻率，減少開關損耗。