三电平SVPWM并网逆变器的仿真研究

崔亚心　 李斌

摘要：由于三电平并网逆变器在减小电流的谐波，改善电压的波形方面都比两电平并网逆变器更有优势，为此本文以两级式的三相三电平并网逆变器为研究对象，分析了二极管钳位型三电平逆变器主电路的拓扑结构和工作原理，建立了三电平SVPWM算法的数学模型，并通过Matlab的仿真分析，验证了其可行性。

关键词：三电平逆变器；空间电压矢量脉宽调制；simulink仿真

本文研究的并网逆变系统采用的是两级结构 ，前一级为直流变换电路，用来升降压和实现最大功率跟踪控制；后一级为DC-AC逆变电路，用来实现直流电到交流电的逆变，最后通过滤波输出与电网电压同步的电能。日前三电平并网逆变器主要的调制策略有正弦波脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。虽然SPWM的调制方式比较简单，但是它的电压利用率却比较低。而SVPWM的调制策略主要是通过空间电压矢量切换来获得准圆形旋转磁场实现对逆变器的驱动控制，它的电压利用率较高，输出的谐波较小，算法也较灵活。因此逆变器在较低的频率下，也能输出较好的电能。

1 三电平SVPWM并网逆变器拓扑结构

三电平SVPWM的拓扑结构采用2个电容串联， 这两个串联的电容用来平分直流母线的电压以得到中间的第三电平零电平。三相桥臂分别为A、B、C桥臂，每一个桥臂都是由4个开关管串联组成，并且每一个桥臂再用一对串联箝位二极管并联到内侧的2个开关管上， 它的中心抽头与中间的零电平相连就实现了中点箝位， 形成了中点箝位型变换器。这样的拓扑结构大大地增加了电平的数目，而电平数目的增多便带来了更加丰富的开关矢量元件，由这些开关矢量所合成的电压谐波分量将明显减小，电能质量将得到很大的提高 [1]。

2 三电平SVPWM矢量的合成

三相三电平逆变器可以输出的电压状态共有3=27种，其中包括6个长矢量，6个中矢量，12个小矢量和3个零矢量，由于这些矢量存在着冗余度，实际中对应的基本矢量只有19种。实际中Vref在三电平NPC逆变器的空间矢量图中逆时针旋转，在某一时刻，Vref将处于某一特殊的三角形中，确定Vref所在的区域，从而确定合成它的基本矢量 [2]。

3 三电平SVPWM算法的实现

将Vref落在的正六边形分成6个大的区域，每一个大区域又分成了6个小区域，首先判断给定的参考电压矢量落在哪个大的区域，然后根据条件判断参考矢量落在大区域中的哪个小区域，从而确定三个基本合成矢量。根据伏秒平衡原理算出三个基本矢量的作用时间，及分配到每个矢量的时间，再确定合成Vref的三个基本矢量所对应的开关状态和作用的次序，最终实现对开关器件的驱动控制[2]。

4 三电平SVPWM并网逆变器仿真分析

为了更好地说明三电平拓扑结构驱动信号的调制方法，在MATLAB中搭建了三电平SVPWM并网逆变器的仿真模型[3]。整个系统的仿真参数设置如下：直流母线电压400V，直流侧并联稳压电容值均为4700μF，采样时间为0.00001；LC滤波器的电感，滤波电容IS；输出频率50Hz，阻感负载RN=9Ω。通过仿真得到的相电压、线电压的波形如图1所示。得到的单极性调制4个管驱动信号，以及通过滤波电感和濾波电容的作用得到最终的输出电压、电流波形图如图2所示。

通过仿真对比分析，得到了两电平与三电平的谐波特性分析如图3所示，验证了三电平具有谐波含量小，电能质量更好等特点。

5 总结

本文通过对二极管钳位式逆变器拓扑结构的分析，采用传统的算法搭建了Simulink模型，通过与两电平的SVPWM逆变器对比分析，得到了三电平方案输出的电压波形更好、电流谐波更小等优点，明显地改善了逆变器各方面的性能，验证了研究的可行性。

参考文献：

[1]蔡凯，程善美.三电平SVPWM方案的实现[J].电气传动自动化，2008 （4）：5.

[2]赵燚.离岸风电场大功率风能变换器及直流连接环节研究[D].河北科技大学硕士学位论文，2015.

[3]王旭.基于FPGA的三电平SVPWM逆变器的设计[D].济南大学硕士学位论文，2014.

作者简介：崔亚心（1991-），女，汉族，河北邢台人，现为河北科技大学2015级硕士研究生，现主要从事分布式太阳能微网发电技术的研究。