基于SVPWM共模电压抑制方法的研究与仿真

李银玲，唐允宝，刘 鹏

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）

1 引言

多电平逆变器由于具有输出容量大、电压谐波含量少、适用于中高压大功率场合等优点而广泛应用于钢铁冶金、石油化工、轨道交通等工业场合［1-2］。但同时其产生的共模电压也带来了严重的负面效应：耦合电容产生轴电压，损坏轴承；高速开关产生很强的电磁干扰（EMI），干扰其它电子设备正常运行；共模电压还会引起电机绝缘击穿，缩短电机使用寿命［3］。与SPWM调制方法相比，SVPWM技术以其易于数字化实现、电压利用率高等优点而在共模电压消除中得到了广泛应用。

三电平逆变器空间矢量脉冲宽度调制技术对共模电压的抑制，采用Matlab/Simulink进行仿真，并给出仿真结果。验证了控制策略的有效性，并可以推广到具有奇数的多电平结构中。

2 三电平逆变器拓扑结构及其共模电压

2.1 三电平逆变器的拓扑结构及工作原理

采用二极管箝位型三电平逆变器，拓扑结构如图1所示。每一相均由2个直流分压电容C1=C2、4个主开关管、4个续流二极管和2个箝位二级管组成。与传统两电平逆变器相比，二极管箝位三电平逆变器具有降低电磁干扰（EMI）和du/dt、减少开关损耗、提高系统可靠性等优点。假设电路中器件均为理想器件，由图1可以看出（以A相为例），当开关管Sa1、Sa2同时导通Sa3、Sa4同时关断时，输出端A对O点的电平为Udc/2；当Sa2、Sa3同时导通Sa1、Sa4同时关断时，输出端A对O点的电平为0；当开关Sa3、Sa4同时导通Sa1、Sa2同时关断时，输出端A对O点的电平为-Udc/2。

图1 二极管箝位三电平逆变器

因此，逆变器每相输出电压均有三种不同的输出电位，相电压分别为Udc/2、0、-Udc/2。

2.2 三电平逆变器输出的共模电压

三电平逆变器，与传统两电平逆变器有着相类似的性质，同样存在着共模电压。共模电压定义形式仍与两电平相似，其表达式为：

式中：VA、VB、VC为逆变器每一相输出电压；Vcm为逆变器产生的共模电压。

由上式可知：在电机驱动系统中，若三相对称交流电直接作用电机定子绕组，则绕组中点对地共模电压为零，系统不存在由共模电压带来的危害；若电机由电压源型PWM逆变器供电，由于逆变器是由多个开关高频切换来产生输出电压，所以输出电压中包含正序、负序和零序分量（即共模电压）。共模电压的大小由逆变器中开关管的通断状态确定。

3 SVPWM控制策略及仿真实现

3.1 降低共模电压的SVM算法

传统三电平SVM算法沿用了类似两电平的算法，就是将整个矢量空间划分为6个大扇区，即扇区I-VI，然后再将每个扇区细分为4个小区，进行参考矢量合成。降低共模电压的SVM算法与传统SVM算法区别不仅在于把原来的6个大扇区细分为6个小区，以提高仿真的准确性，而且将开关状态限制在一个范围内，如图2所示。逻辑法逐层递进，直到判断出参考矢量所在的小区域。

图2 SVM算法中小区域判断

若将三电平逆变器的开关状态分别设为1、0、-1，定子绕组中性点和电源的中点之间的电压可以用公式表示为：

三电平逆变器的33=27个矢量状态和vsn的幅值表示如表1所示。

表1 矢量状态和共模电压幅值表

由式（2）和表1可知：vsn有7个电平，分别为0，。在上述所示的这个矢量表中如果只选择 （1，1，1）、（-1，-1，-1）、（1，1，0）、（1，0，1）、（0，1，1）、（-1，-1，0）、（-1，0，-1）、（0，-1，-1），除外开关状态去合成参考矢量，也就是选择三个开关状态之和绝对值要≤1的矢量状态［4］。共模电压幅值绝对值就可以限制在≤Udc/6的范围。下面采用仿真手段说明。图3中，a为6个小区域的判断即为图2的仿真模块，b为SVM算法分步计算封装模块。

仿真条件：采用Matlab7.4软件。Udc=600V，Freq=10kHz，f=50Hz，负载为 R=1Ω，L=1mH。图 4为仿真后逆变器输出波形，其中（a）为线电压波形，（b）为相电压波形，（c）为共模电压波形。和两电平相比，三电平逆变器相电压多出一个电平；线电压更接近正弦波，谐波含量降低；共模电压幅值为±Udc/6和0，相对传统的SVM下共模电压幅值±Udc/3、±Udc/6、0，幅值最大值降低了一半，从而减少了共模电压带来的负面效应。

3.2 消除共模电压SVM仿真算法

上述SVM算法虽然可以降低共模电压的幅值，但由于并未完全消除共模电压，所以其负面危害仍然存在。在表1的27种矢量状态中，有7种状态不产生共模电压，即（1，0，-1）、（0，1，-1）、（-1，1，0）、（-1，0，1）、（0，-1，1）、（1，-1，0）、（0，0，0）。如果将开关状态限制在这7种中，理论上三电平逆变器将不产生共模电压［4-5］。具体实现方法是：先进行6个大扇区的判断；然后进行小扇区的判断和时间数值的计算；最后是选择矢量相临近的零矢量的开关状态合成参考矢量。仿真条件与上面相同，仿真结果如图5所示。由图5（c）可以看出，共模电压的幅值约为0，达到了消除共模电压的目的。

图3 三电平逆变器仿真模块

4 仿真结果比较

图4 降低共模电压的SVM下逆变器仿真波形

图5 消除共模电压SVM逆变器仿真波形

图6 线电压FFT分析

三电平逆变器通过适当调整控制策略可以达到抑制共模电压的目的。为了对比分析仿真结果，本文将三电平逆变器两种抑制共模电压SVM算法和三电平传统SVM算法进行比较，仿真条件相同。图6为不同控制策略下逆变器输出线电压FFT。由图看出：消除共模电压SVM策略抑制效果最明显，共模电压几乎为零，但以谐波含量的增大和直流电压利用率的降低为代价，其谐波含量达到了179.16%。表2可以明显看出，降低共模电压SVM策略虽然并未完全消除共模电压，但仍降低到±Udc/6范围内，大大减少共模电压的负面危害，而谐波含量虽比传统三电平SVM策略略高一些，但远小于消除共模电压SVM调制，综合性能相对较好。

表2 算法比较

总之，降低共模电压SVM策略和消除共模电压SVM策略在共模电压抑制方面效果十分显著。仿真手段验证了方法的有效性，不同策略对比中得出降低共模电压的SVM策略是整体上最为理想方法的结论。

［1］W.Hofmann,J.Zitzelsberger.PWM-Control Methods for Common Mode Voltage Minimization-a Survey［J］.International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives,Automation and Motion,2006,speedam:S8-30-35.

［2］A.K.Gupta,A.M.Khambadkone.A space vector PWM Scheme to Reduce Common Mode Voltage for a Cascaded Multilevel Inverter［J］.IEEE,2006：1-7.

［3］姜艳姝，刘 宇，徐殿国等.PWM变频器输出共模电压及其抑制技术的研究［J］.中国电机工程学报，2005,25（9）:47-53.

［4］Hee-Jung Kim,Hyeoun-Dong Lee,Seung-Ki Sul.A New PWM Strategy for Common-mode Voltage Reduction in NPC Inverter-Fed AC Motor Drives［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,2001:1840-1845.

［5］姜艳姝，徐殿国，赵 洪等.多电平SPWM变频器中共模电压抑制技术的研究［J］.中国电机工程学报，2005,25（3）：18-22.