基于DSP的三电平空间矢量算法仿真与实验

周 成，程 晨，杨辉军，谢 芳

1.安徽国际商务职业学院信息服务系，合肥，231131；2.安徽大学工业节电与电能质量控制协同创新中心，合肥，230601

基于DSP的三电平空间矢量算法仿真与实验

周 成1，程 晨1，杨辉军1，谢 芳2

1.安徽国际商务职业学院信息服务系，合肥，231131；2.安徽大学工业节电与电能质量控制协同创新中心，合肥，230601

为了解决NPC三电平中点电容电压的不均衡问题，得到很好的电流波形，使用基于虚拟空间矢控制方法，采用IGBT为主开关器件搭建了三电平逆变器系统平台，利用MATLAB/Simulink对中点电压均衡控制的效果进行了仿真研究。通过仿真和实验验证了此控制方案具有很好的实际效果。

三电平NPC逆变器；中点电压平衡；虚拟空间矢量控制

如果逆变器的中点电容电压不均衡，则会造成不正常的电流输出。为了改进电机的运行效率，保证电机的可靠运行，避免电机震荡发出很大噪音，消除对交流传动装置的破坏作用，必须处理好NPC三电平逆变器中点电容电压的均衡问题[1-2]。NPC三电平逆变器因其本身拓扑结构的制约，存在中点电容电压不均衡这一固有问题，国内外许多学者长期关注和研究这一问题，并给出了诸多的解决方案[3-8]。本文利用基于虚拟空间矢量的控制算法，实现对中点电压的有效控制，通过仿真，验证了算法的有效性，并进行了实验验证。

1 虚拟空间矢量算法原理

三电平逆变器都存在中点电压平衡问题，为了更好抑制中点偏移对输出电流的影响，采用虚拟空间矢量控制方法。由于零矢量和大矢量不影响中点电压，只有中矢量和正、负小矢量影响中点电压，所以虚拟空间矢量的零矢量和大矢量保持不变，只对中矢量和小矢量进行线性组合，生成虚拟的中矢量和小矢量。将中矢量的一部分分解为邻近的小矢量，保留原中矢量的一部分，这样，不仅增强了小矢量对中矢量的补偿作用，也减少了中矢量对重点电压平衡性的影响。中点电压均衡控制的目的是在一个TS 内使经过中点的电流均值为零，在TS内中点电压变化为零[9-10]。图1以第一扇区为例计算各虚拟矢量。

虚拟小矢量的算法：位于同一位置的一对正负小矢量分别为POO和ONN，对应电流分别是-ia和ia，将POO和ONN进行线性组合，使两者作用时间相同，虚拟出一个小矢量，VZS1=1/2*VS1(POO)+1/2*VS1(ONN)，当虚拟小矢量作用时，流经中线的平均电流为零。同理小矢量VZS2可由PPO、OON通过线性组合获得，容易证实VZS1与POO或者OON位置重合，VZS2与PPO或者OON位置重合。

在图1(b)中的α/β坐标系中，设α轴为0°,逆时针方向依次为Ⅰ～Ⅳ扇区，如表1所示。

使用Vα、Vβ值来判定Vref所在扇区，以下为具体算法：

(1)若Vβ>0,则A=1，否则A=0；

图1 三电平逆变器的虚拟空间矢量图

表1 空间电压矢量扇区划分

为了便于编程和仿真的实现，取中间变量N=A+2B+4C(N=1～6)，则N与所在扇区S的对应关系如表2所示。

表2 N与扇区S的对应关系

根据矢量合成原理，首先确定参考矢量所在扇区，再选择最近的三个虚拟矢量进行矢量合成。图1(a)表示6个扇区中第1扇区的矢量及其占空比分配图，将扇区分为5个区域，如图1中的1～5共5个小三角形区域。由线性组合可知，在三角形1中，满足式：

(1)

设调制度为：

(2)

(3)

其他各三角形区域的判断与此相同。表3给出了5个三角形的分区判断。表4给出了在一个开关切换周期T内第Ⅰ扇区下所有区域中选择的矢量，是在先判定出矢量所在区域后，依据虚拟空间矢量的邻近三矢量合成规则获得。其余扇区以此类推。定义：

表3 区域判断规则

表4 第一扇区每个小三角形矢量选择表

2 仿真和实验验证

图2 中点电压不平衡的仿真模型

为了验证在中点电压不平衡时，采用虚拟空间矢量控制算法仍可以得到高质量的输出线电压与线电流波形，采用MATLAB/Simulink仿真软件，以IGBT为主开关器件搭建了三电平NPC逆变器模型，仿真中点电压严重不均衡时的情形[11-12](图2)，并把传统三电平SVPWM控制和采用虚拟空间矢量控制的结果进行了对比。在电容C2上并联放电电阻R1来模拟中点电压不平衡。比较图3和图4的仿真波形可以看出，在中点出现严重的不平衡时，传统的空间矢量控制输出的线电流、线电压和相电压均出现严重的畸变，而采用虚拟空间矢量控制时，输出的相电压虽然出现不对称，但输出的线电压和线电流是对称的，且输出电流波形的正弦度很好。

图3 传统矢量控制中点电压不平衡时仿真结果

图4 虚拟空间矢量控制中点电压不平衡仿真结果

为验证上述算法中点电压实际控制效果，用英飞凌公司的IGBT(型号FF900R12IP4D)搭建逆变桥,主控芯片采用DSP28335，驱动信号经4245电平转换后再经IXDP630/631(死区时间控制器)产生dead-time后，再反相后送给驱动电路。IXDP630/631还兼有保护功能，E_R、E_S、E_T分别封锁单相脉冲，OUT_E同时封锁三相脉冲。系统的原理框图如图5所示。运行频率f=50 Hz,采样周期TS=556 μs,负载拖动30 kW电机时进行实验。

图5 实验室三电平NPC逆变器系统原理框图

图6是采用Tektronix数字示波器实测的虚拟SVPWM方法的逆变器输出线电压波形、相电流波形。从实测的波形可以明显看出，使用虚拟空间矢量控制算法后输出的线电压和线电流是对称的，中点电压控制效果很好，且输出电流波形的正弦度很好。

仿真参数：直流电压Udc=500 V，R1=50000 Ω,电容C1=C2=1000 μF。

图6 实验平台输出线电压和相电流波形

3 结 论

目前，三电平逆变器因其突出的优点而成为研究的热点，但由于直流侧电容中点电压不平衡问题,在一定程度上限制了其应用。本文采用虚拟空间矢量控制算法对中点电压进行了有效的控制，使在中点电压不平衡的条件下，仍然可以输出较好的线电压和相电流波形，比传统空间矢量控制更具有优越性。该方法的不足之处是增加了功率器件的开关次数，给装置散热增加了一定的负担。VSVPWM控制方法的有效性通过仿真研究和实验结果均得到了验证。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.027

2016-08-25

安徽大学博士科研启动经费(J01001961)；安徽省教育厅自然科学研究重点项目“EV车用电机预测控制方法研究”(KJ2014A019)；安徽教育厅自然科学研究一般项目“基于子空间旋转不变性的电力信号时频分析方法研究”(2016XJZK02)。

周成(1983-)，安徽合肥人，硕士，助教，研究方向：电力电子技术。

TM464

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1673-2006(2017)01-0101-04