NPC三电平逆变器SVPWM控制算法研究

武　浩，王春宁

(青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛 266071)

0　引　言

1980年提出的中点钳位型三电平逆变器解决了功率元器件耐压低的问题，改善了逆变器的输出波形，成为当今电力电子技术的研究热点。尤其是SVPWM技术在三电平逆变器的应用备受国内外专家的重视。

1　NPC三电平逆变器简介

1.1　主电路

图1所示的NPC三电平逆变器每个桥臂由两个IGBT和两个反并联二极管组成，上下桥臂通过钳位二极管连接，提高电压利用率，并减小了IGBT所承受的电压。

图1　三电平变换器主电路结构

1.2　工作状态

逆变器输出电压分为P、O、N三种工作状态，值为+Udc/2、、0-Udc/2，如表1所示。

由于逆变器有3个桥臂，所以三相电压合成后共有33=27种基本电压矢量，即27种工作状态,如图2所示。

表1　A相工作状态与对应输出电压

图2　电压合成空间矢量

2　SVPWM 算法实现步骤

2.1　参考矢量所在区间判断

图3　扇区划分　　　　　　　　　　图4　第一扇区工作区域划分

将图3中的空间矢量图按照每60°一个扇区，可以分为6个大扇区，然后将每个扇区分为A、B、C、D 4个小区间(如图4所示)。假设参考电压矢量为Ur，幅值为U，幅角为θ，可以将每个扇区分为5个工作模式：

即在60°范围内，当θ1≤θ≤(60°-θ1)时，参考矢量位于C区间，否则位于A区间。

(3)当U=Udc/2时，Ur在C区间内。

即在60°范围内，当(60°-θ2)≤θ≤60°时，参考矢量位于B区内，当θ2≤θ≤(60°-θ2)时，参考矢量位于C区内，当0≤θ≤θ2时，参考矢量位于D区内。

2.2　空间矢量作用时间的计算

由于对称性，计算空间矢量作用时间时其他扇区都可以转化为第一扇区，因此以第一扇区为例确定合成参考矢量的3个基本矢量及作用时间(如图3所示)。

(1)在A区间内，Ur由矢量Ua0、Uc0和U0合成：

Tc0=2mTssinθ

(2)在B区间内，Ur由矢量Uc0、Uc和Ub合成：

Tc=(2msinθ-1)Ts

(3)在C区间内，：Ur由矢量Ua0、Uc0和Ub合成：

Ta0=(1-2msinθ)Ts

(4)在D区间内，Ur由矢量Ua0、Ua和Ub合成：

Tb=2mTssinθ

2.3　电压矢量的发送顺序

在三电平逆变器中，无论在哪一个区域，起始矢量都为正小矢量或负小矢量，并且开关状态只允许P-O-N或N-O-P的切换，不允许P-N两个状态直接切换，以减少冗余开关状态，从而减少开关损耗，延长IGBT的寿命。并且采用7段法对矢量作用时间进行分配，以消除偶次谐波，如第一扇区A区间矢量发送顺序为OON-OOO-POO-PPO-POO-OOO-OON。

3　SVPWM的MATLAB仿真波形

根据算法介绍对系统进行仿真，如图5所示，设仿真参数为：控制周期1/5 000 s，系统直流侧电压Udc=600 V，系统输出频率为50 Hz，电机为三相鼠笼式异步电机，电机额定电压为380 V，额定电流为0.75 V，功率为0.25 kW，转速为1 400 r/min。最终得出的输出相电压和线电压仿真波形如图6和图7所示。

图5　逆变器SVPWM控制的MATLAB仿真

图6　相电压波形　　　　　　　　　　　　　　　　图7　线电压波形

通过对输出相电压和线电压仿真波形的监测，证明了对三电平逆变器采用SVPWM控制能够有效改善输出电压波形，取得更好的控制效果。

4　结　论

本文从区域划分、工作模式、矢量作用时间、矢量作用顺序等方面对三电平逆变器的SVPWM算法进行了详细的探究，并用MTALAB/Simulink对电路进行仿真，验证了上述算法的合理性。

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