基于MATLAB的三电平空间电压矢量逆变器的仿真研究

赵振民;高鹏;李斐

【摘 要】在论述二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构的基础上,介绍了空间电压矢量( SVPWM)的基本原理、SVPWM算法的区域判断和矢量作用时间计算,讲解了一种判断小扇区的新型方法.通过MATLAB进行系统仿真,得出仿真结果,证明了三电平逆变器的优点.%This article discusses the tapological type structure of diode clamp type three-level inverter, introduces the basic principle of space voltage vector (the basic principle of implementing SVPWM) ,the regional judgment and implementing SVPWM algorithm of vector action time calculation and explains a new method of judging small sector. Finally, through MATLAB simulation model. It obtains the simulation result which shows the advantages of three-level inverter. 【期刊名称】《机械制造与自动化》 【年(卷),期】2011(040)006 【总页数】4页(P128-131)

【关键词】SVPWM;三电平;MATLAB;扇区判断;NPC 【作 者】赵振民;高鹏;李斐

【作者单位】黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027;黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027;黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027

【正文语种】中 文 【中图分类】TP391.9 0 引言

在高压变频调速领域中，各种技术方案很多，最为常用的只有多电平串联倍压方案以及三电平方案，三电平方案相对于常用的两电平方案，输出电平除P，N两种电平外还可以实现零电平（O）输出。三电平方案可以使du/dt降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的轴电压和轴电流大大降低。 1 三电平逆变器的拓扑结构

图1给出了三电平NPC逆变器的简化电路图。逆变器A相桥臂由带有反并联二极管（D1－D4）的四个有源开关（S1～S4）组成。在实际的系统中，开关器件既可以采用IGBT，也可以采用GCT。

逆变器直流侧的两个直流电容给出了中点Z，连接到中点的二极管Dz1和Dz2为箝位二极管。相电压输出的三种状态为:

1）输出为正（P）当S1和S2导通，S3和S4关断时，A相输出端接到直流母线的正端P，称之为输出正电压（P状态）。

2）输出为零（0）当S2和S3导通，S1和S4关断时，A相输出端接到直流母线的中点Z，称之为输出零电压（O状态）。

3）输出为负（N）当S1和S2关断，S3和S4导通时，A相输出端接到直流母线的负端N，称之为输出负电压（N状态）。 图1 二极管钳位的三电平电路 2 三电平静止空间矢量的分布

三电平逆变器每相桥臂的运行状态可以用三个开关状态［P］，［O］，［N］表

示。考虑到有三相桥臂，则逆变器有共27种可能的开关状态组合。假设中点电位没有浮动，则根据电压矢量幅值（长度）的不同，可以分为四组，如图2所示:1）零矢量（V0），幅值为零，表示［PPP］，［OOO］和［NNN］三种开关状态;2）小矢量（V1－V6），幅值为Vd/3。每个小矢量包括两种开关状态，一种为开关状态［P］，另一种为［N］，因此可以进一步分为P型和N型小矢量;3）中矢量（V7－V12），幅值为Vd/3;4）大矢量（V13～V18），幅值为2Vd/3。 3 三电平空间电压矢量SVPWM算法 图2 三电平NPC逆变器的空间矢量图

为便于计算空间矢量的作用时间，可将图2所示空间矢量图分为6个三角形扇区（I－VI）。每个扇区又可以进一步分为如图给出的4个三角区域（1－4），如图3所示。在图3中，同时给出了所有矢量的开关状态。 图3 扇区和区域的划分 3.1 区域判断

区域判断的目的是为了找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。传统的判断方法是将三电平基本空间电压矢量区间先分成6个大区域，再将每个大区域分成4个小区域。因为基本空间电压矢量中的短矢量在每个采样周期中出现的数多，所以为了仿真及算法的准确性，这里将每个大区域分成6个小区域，如图4所示，大区域为I，II，III，IV，V，VI，小区域为 1，2，3，4，5，6。

以第I大区为例，参考电压矢量Vref在α轴和β轴上的投影分别为Vα和Vβ，幅角为θ，则

1）sin（θ+60°进行比较，作为Vref在小区域4，5和小区域1，2的分界线。 若sin（θ+60°），则Vref在小区域4或5内; 若sin（θ+60°），则Vref在小区域1或2内;

2）sin（60°－θ）进行比较，作为Vref在小区域3和小区域4，5的分界线。 若 sin（60°－θ），则Vref在小区域3内; 若sin（60°－θ，则Vref在小区域4或5内;

3）sinθ进行比较，作为Vref在小区域6和小区域4，5的分界线。 若sinθ，则Vref在小区域6内; 若sinθ，则Vref在小区域4或5内;

4）当θ≤30°时，Vref在小区域1或3或4内; 5）当θ≥30°时，Vref在小区域2或5或6内;

最后通过以上结论综合判断出参考电压矢量Vref具体在哪个小区域内。 图4 算法小区域判断 3.2 作用时间计算

与两电平逆变器类似，三电平NPC逆变器的SVPWM算法也基于伏秒平衡原理，即:给定矢量Vref与采样周期Ts的乘积，等于所选定空间矢量与其作用时间乘积的累加和。在三电平NPC逆变器中，给定矢量Vref可由最近的三个静态矢量合成。当Vref落入扇区I的3区时，最近的三个静态矢量为 V1，V7，V13，则有

式（2）中，Ta，Tb 和 Tc分别为静态矢量 V1，V7，V13的作用时间。

将式（3）代入式（2）中，得到 解得

其中

同理，可以求出参考电压矢量Vref在其他区域时，基本矢量的作用时间。 4 三电平SVPWM在Matlab中的仿真

给定三相正弦电压幅值为300 V，频率为50 Hz，相角依次相差120°，取采样时间Ts为0.000 1 s，直流母线电压Udc为600 V。仿真时间为0.1 s。以A相相电压、A相和B相间的线电压和A相和三相负载的星点间的电压为例，仿真波形如图所示。

三电平逆变器控制系统图（图5）由svpwm模块、三相负载、逆变桥模块和电源模块等组成。

图5 三电平逆变器控制系统图

三电平逆变器空间电压矢量（SVPWM）模块图（图6）由坐标变换模块、判断大小扇区模块和矢量作用时间模块等组成。 图6 三电平逆变器空间电压矢量模块图

三电平SVPWM判断小扇区模块图（图7），通过计算得出的theta值和给定的π/3，经过上文小扇区判断公式经过计算，得出小扇区的具体值。 图7 三电平SVPWM判断小扇区模块图

从图8，图9和图10中可以看出，三电平逆变器的相电压为三电平，线电压为五电平，A相输出和三相负载星点间的电压为九电平，实验结果正确。 5 总结

图10 三电平逆变器A相输出和三相负载星点间的电压

本文对空间电压矢量（SVPWM）的基本原理和算法进行了系统的论述和推导，并且通过MATLAB软件进行系统模型搭建和系统仿真，仿真结果正确。通过仿真波形可以看出，三电平逆变电路可以使主开关器件的额定电压降为直流母线电压的一

半，由于输出多了一个电平，可以降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的轴电压和轴电流大大降低，这些优点，使三电平逆变器在高压大功率交流变频调速技术中得到了广泛的应用。 参考文献:

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