三電平NPC變流器SVPWM算法研究

摘 要：多電平變流器是目前電力電子技術研究的焦點之一，相對于傳統兩電平變流器優點明顯，但其常用的空間電壓矢量控制算法（SVPWM）也更加復雜。文章闡述了三電平SVPWM算法的基本原理以及

1 概述

隨著新能源的不斷發展，尤其是風電技術等新能源電力技術的發展，變流器在電力系統中的重要性也越來越高。而相對于傳統兩電平變流器，三電平變流器具有明顯的優點，如主開關器件承受的電壓和du/dt減小一半，輸出電壓諧波小等優點，具有廣闊的前景和應用價值[1]。

空間矢量脈寬調制[1][2]具有輸出電流諧波少、轉矩脈動小、直流利用率高等優點，是三電平變流器控制的首選方案。相對傳統算法，文章闡述了一種相對簡單的方式來得到所需的作用時間，只需一個大區域的18個作用時間即可得到所需的所有作用時間，另外以60度坐標系來判斷扇區簡化計算，使算法變得簡單。

2 SVPWM算法

三電平SVPWM算法根據參考電壓矢量由幾個基本矢量合成的原則來進行三電平變流器的控制，根據所需量的先后順序，可以分為區域判斷、作用時間計算以及作用時間分配三個部分。

2.1 參考矢量所在區域判斷

與傳統算法類似，我們將基本空間矢量區域劃分為6個大扇區、24個小區域。但與傳統算法不同，這里采用60度g-h坐標系來劃分區域，簡化計算。

以公式（1）轉換到60度g-h坐標系后，以下列規則判斷大扇區：N=1時，Vg>0且Vh>0；N=2時，Vg<0且Vh>0且Vg+Vh>0；N=3時，Vg<0且Vh>0且Vg+Vh<0；N=4時，Vg<0且Vh<0；N=5時，Vg>0且Vh<0且Vg+Vh<0；N=6時，Vg>0且Vh<0且Vg+Vh>0；

2.2 作用時間計算

判斷完參考矢量在具體某一個區域之后，我們就可以根據伏秒平衡原理預先計算各個基本矢量所需的時間。首先需要找到合成參考矢量所需的三個基本矢量V1、V2、V3，然后根據下面進行計算：

V1T1+V2T2+V3T3=VrefTs （2）

T1+T2+T3=Ts （3）

類似地可以得到參考電壓矢量在其他區域時的各基本矢量的作用時間，需要將各個區域所有基本矢量作用時間都計算出來，方便在使用時直接提取數據。

但對于各矢量作用時間計算模塊來說，我們摒棄了將每一個區域的各個矢量作用時間都計算出來的繁瑣且需大存儲的方法，而采用如圖1所示的方法，以小區域為基本單位，以調換小區域內三個電壓矢量作用時間次序的方式，就可以以一個大區域18個矢量作用時間實現其余五個大區域的所有矢量作用時間。文章選用區域I的18個作用時間作為基準時間，采用MATLAB仿真模型各個大區域之間作用時間邏輯關系，如圖1所示。其中Tabc表示區域I各小區域的三個矢量作用時間Ta、Tb、Tc，N則表示大區域號，n表示小區域號。

3 仿真及波形分析

前面分析了三電平SVPWM算法的原理，接下來將按照上述原理在MATLAB/simulink中對所述算法進行仿真分析，并對相關波形進行分析。其中，輸入為311V，頻率50Hz的三相交流電壓，前端直流輸入為600V，兩個電容為4700uF，三相負載每相都是電阻12Ω，電感0.02mH，仿真采樣周期為TS=62.5-6S。仿真結果如圖2。

從以上仿真結果圖可以看出，相對于傳統兩電平逆變器，三電平逆變器輸出電壓電平數更多，相電壓三電平，線電壓五電平，更為接近正弦，因而在相同開關頻率的情況下，輸出電壓諧波大大減少。圖2（b）是輸出相電壓濾波后的波形，對比輸入三相交流電壓，可知結果比較理想。

4 結束語

文章介紹了三電平變流器的基本結構，并闡述了三電平空間電壓矢量控制算法基本原理，并對一些復雜環節的簡易算法加以闡述。最后在MATLAB/Simulink中對所述算法建立模型，進行仿真計算并分析結果。可以看出，三電平SVPWM算法結構簡單易懂，不用經過太過復雜的計算，同時具有和傳統兩電平算法一樣的準確性，并在某些方面更具優勢，運用前景廣闊。

參考文獻

[1]苑春明.三電平變換器SVPWM關鍵技術研究[D].合肥工業大學，2008.

[2]李啟明.三電平SVPWM算法研究及仿真[D].合肥工業大學，2008.

[3]于月森，姜小艷，符曉，等.三電平變換器SVPWM算法綜述[J].變頻器世界，2009，9：35-40.

[4]桂紅云.三電平變換器控制策略的研究[D].浙江大學，2005.

[5]周京華，賈斌，章小衛，等.混合式三電平中點電位平衡控制策略[J].中國電機工程學報，2013，24：82-89+13.

作者簡介：李興（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為三電平NPC整流器中點電位平衡控制策略。