基于三电平典型拓扑结构的SVPWM调制策略研究

摘要：当前，我国的新能源技术面临发电量受外界因素影响较大、电能不能稳定输出等问题，大功率变换器的使用是解决此问题的关键，多电平逆变器能够满足大功率变换器的高压大功率化需求。文章以T型三电平逆变器为研究对象，分析了其调制算法和中点电位平衡问题，并进行了仿真验证。根据空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）算法的原理，文章分析了中点电位不平衡对空间电压矢量作用的不良影响。基于MATLAB/Simulink平台，文章搭建了仿真模型，仿真结果证明了三电平SVPWM算法对中点平衡控制策略的有效性。所提方法能够弥补原有算法操作复杂的不足，对三电平乃至多电平逆变器的工程应用具有促进作用。

关键词：T型三电平逆变器；中点电位不平衡；SVPWM算法

中图分类号：TM464；TP273文献标志码：A

0 引言

随着现代电力电子技术的迅速发展，适用于不同场合的多电平逆变器所具有的拓扑结构层出不穷，所对应的调制算法也千差万别。T型三电平逆变器利用2个反向串联的功率开关管将直流母线侧的中点与输出端相连，实现中点箝位功能和零电流切换。当中点电位发生变化时，T型三电平逆变器拓扑能够解决上、下桥臂的开关管功率损耗分布不均的问题，但存在中点电位动态不平衡的问题［1］。

空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）的算法原理是将逆变器的输出状态转化为空间电压矢量，通过空间矢量的切换控制三电平变流器的开关管工作。SVPWM算法所形成的系统模型简单，输出波形在大范围调制比内具有良好的性能、较小的输出谐波含量以及较高的电压利用率，易于实现抑制中点电位波动、减小谐波含量、减少开关频率等控制目标［2］。

因此，本文以三电平T型逆变器为研究对象，深入研究其SVPWM策略，弥补原有算法复杂、实际操作困难的缺陷；利用简易算法实现T型三电平逆变器的SVPWM；建立MATLAB/Simulink模型，分析了SVPWM算法对中点电位不平衡问题的抑制作用。

1 三电平SVPWM算法仿真

1.1 SVPWM算法仿真思路

三电平逆变器系统可以分为参考电压矢量采样、SVPWM控制、主电路、负载电路等部分，其中SVPWM控制应用SVPWM算法，是系统的主要组成部分，也是仿真的重点。SVPWM控制模块将按照传统三电平SVPWM算法的3个步骤大致分为3个模块进行仿真。

在三电平逆变器系统的仿真过程中，既可以使用MATLAB/Simulink提供的器件，又可以根据原理搭建具有相应功能的模块。由于选择的算法不同，对软件的熟悉程度不同，可用不同的仿真方法来搭建具有相同功能的仿真模块［3］。本文将对三电平SVPWM算法的参考电压矢量模块、区域判断模块、时间计算模块、时间状态分配模块以及主电路仿真模块进行详细说明。

1.2 参考电压矢量模块

针对参考向量的采样，基于MATLAB/Simulink提供的相关电力器件，本文直接给出参考向量的实部、虚部或模值、幅角。但由于参考矢量选择的数目较多，采样数据具有离散性，并不适合此方法［4］。对此，本文首先拟利用合成法，将3个输出电压三角函数量综合成1个参考矢量；然后把参考矢量分解成实部、虚部和模值、幅角；最后将参考矢量作为输入量。参考电压矢量模块的内部逻辑结构如图1所示。

1.3 区域判断模块

T型三电平SVPWM算法将空间向量分为6个较大的区域，每个区域之间的间隔为60°，在模拟过程中使幅角作为变量。大区域判断仿真逻辑结构如图2所示。该算法将空间矢量Vref看成幅值为Um、相角为θ的相量，在不同的坐标系下进行分解，根据θ的大小将空间向量分成6个大扇区。

根据小扇区判断算法，本文在Simulink中直接搭建小扇区判断仿真模型，通过假设法判断出对应的小扇区，仿真逻辑结果如图3所示。相较于两电平的组合法，此方法逻辑更为简单。

1.4 时间计算模块

直接法是一种先搭建所有区域的作用时间模块，再利用Simulink中的多路选择开关器件选取参考矢量对应区域作用时间的方法［5］。直接法导致系统模块过多，本文采用更为简单的逻辑法搭建模型。时间逻辑关系仿真模型如图4所示。

由图4可知：不同区域的基本矢量作用时间存在一定的逻辑关系。在此基础上，只要选取某一大区的全部作用时间为参考，其他5个大区的作用时间便可根据参考时间的逻辑关系得出。在模拟时，本文不需要建立所有区域的作用时间，只需要建立基准时间的仿真模型和作用时间逻辑关系模拟模型，并给出了该模型的时间逻辑关系。

1.5 时间状态分配模块

时间状态分配的目的是确定各个基本矢量对应的开关状态及作用次序，将基本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，生成主电路开关器件的触发波形，完成对开关器件的控制。时间状态分配模块是三电平SVPWM算法的关键部分［6］，其仿真模型如图5所示。

状态分配模块使用分步法［7］：

（1）步骤1，完成七段式时间分配，各区域的基本矢量作用时间按短矢量为各采样周期起始矢量的次序进行排列，各区域的七段式时间分配方式相同，可共用相同时间分配模块；

（2）步骤2，实现矢量状态次序，按照状态作用次序原则，每个采样周期都使用一个负短矢量作为起始矢量；

（3）步骤3，实现矢量状态向开关状态的转化，三电平逆变器主回路的三相电平分为高、低、零电平3种矢量状态，三电平逆变器主回路的开关元件分为OFF、ON 2种开关状态，矢量状态和开关状态之间存在一定关系。

通过上述3个步骤的连续执行，能够实现时间状态分配模块的仿真。

1.6 主电路的仿真

三电平逆变器的仿真可以分成电源模块、T型三电平拓扑结构、三相对称负载模块，设立中点电位检测示波器，便于后续观察调制波对电位产生不平衡的影响，仿真参数如表1所示。

2 SVPWM仿真结果及分析

按照第一章介绍的模拟方法及过程，实现三电平逆变器系统的模拟。设母线电压Udc为750 V，调制比m按220 V相关公式计算，基波频率为50 Hz。T型三电平逆变器经过SVPWM算法调制后，得到输出相电压和电流的波形，如图6所示。

由图6可知，线路电压输出的阶梯波接近于正弦波，切换频率有所下降。这说明所提调制策略不仅能提高波形质量，还能有效减少切换损耗。进一步说明了所提策略能够有效减小器件的电压应力，解决器件在高功率、高电压环境下的应用问题，降低器件的制造成本。逆变器并网后系统电压趋于平稳。仿真验证结果表明所提SVPWM算法具有可行性。

3 中点电位不平衡问题的改善

3.1 导致中点电位问题因素及仿真体现

电容两端的电压大小由正负两端的电荷量与电容本身的大小决定。分压时如果电容值不均匀，就会导致中性点不平衡，这是由生产工艺造成的。而大多数情况下，这种不平衡是由上下电容的正负两端电荷量的差异以及上下电容的充放电不均匀造成的。以下是一些造成电容中性点不平衡的特定因素［8］：

（1）生产工艺造成的电容参数不均；

（2）开关延迟及死区；

（3）由无功电流引起的中点电位的周期变化以及由有功电流引起的中点电位的变化；

（4）T型三电平调制算法本身。

SVPWM算法实现时间调制形成的羊角波和马蹄波，在不同的区域，羊角波适用于大扇区，而马蹄波适用小扇区，导致调制度不同。在没有中点电位平衡系统的干预下，羊角波、马蹄波调制下的中点电位波形如图7所示。

由图可知：无论是羊角波还是马蹄波，电位差均存在，并在0.4～1.5 V，输出的电压波动大，重合部分少，波形粗糙，含有大量谐波，中点电位失衡，影响三电平逆变器效果。

3.2 中点电位的控制原理及仿真分析

解决中点电位不平衡问题的关键思想是电荷守恒，通过调整电容C1、C2的两端电荷量来维持中点电位的平衡。主要控制方法是：当C1的电压大于C2的电压时，需要对中性点加入电荷，即流入电流；当C1的电压小于C2的电压时，对中性点减少电荷，即流出电流。根据以上原理和具体算法搭建中点电位平衡系统［9］。

当SVPWM算法采用七段式发波顺序，得到如图8所示的羊角调制波，在此系统中加入中点电位平衡系统后，得到如图9所示的中点电位波形。

由SVPWM算法可输出如图10所示的马鞍调制波，在此系统中加入中点电位平衡系统后，得到如图11所示的中点电位波形。

由以上仿真结果可以看出，在没有电位平衡系统的情况下，电容两侧电压波动在6.38%，马鞍波和羊角波的效果不一致，基于上述仿真结果可得如下3种对比结果。

3.2.1 对比结果1

将图7（a）与图9进行对比，即采用羊角调制波时将中点电位调制前、后的波形进行对比，结果如表2所示。由表可知：采用羊角波调制前、后，电压波动最大减少0.412%，总体呈下降趋势，波动数值逐渐减小，更接近电压为375 V的直线波形。

3.2.2 对比结果2

将图7（b）与图11进行对比，即采用马鞍调制波时，将中点电位调制前、后的波形进行对比，对比结果如表3所示。由表可知：采用马鞍波调制前、后，电压波动减少到0.02%，且总体呈下降趋势，波动数值逐渐减小，更接近电压为375 V的直线波形。

3.2.3 对比结果3

将图9与图11进行对比，即采用中点电位调制后，将羊角波和马蹄波的调制结果进行对比，对比结果如表4所示。由表可知：采用马鞍波调制后电压波动降到0.02%，动作时间为0.006 s，相比于羊角波调制反应速度慢；羊角波调制后波动降为0.0018%，且动作为0.004 s，羊角波调制效果比马鞍波的速度快，效果好。

综上3组对比结果，证明了采用SVPWM算法对中点电位平衡控制作用的有效性。

4 结语

多电平逆变器是逆变器发展的趋势，本文以T型三电平逆变器为研究对象，重点分析了T型三电平逆变器的调制算法问题和中点电位平衡问题，对这2个问题的解决方法进行仿真研究。本文主要对空间矢量调制方法进行研究，建立了空间电压矢量的数学模型，根据最近三矢量原则选择3个状态矢量来合成参考电压矢量；利用伏秒平衡原理计算各个矢量作用的时间，优化了输出矢量的开关顺序；根据SVPWM算法的原理分析了中点电位不平衡对空间电压矢量作用的不良影响。本文利用MATLAB/Simulink搭建了仿真模型，验证了三电平SVPWM调制算法对中点平衡控制策略的有效性。

参考文献

［1］严俊.NPC三电平逆变器中点平衡控制策略研究［D］.株洲：湖南工业大学，2023.

［2］张为国.三电平ANPC并联交错系统控制策略研究［D］.徐州：中国矿业大学，2023.

［3］金无痕.基于多电平逆变器的高速永磁同步电机控制系统研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2019.

［4］李伟伟.中点钳位型三电平风电变换器双机一体化并联技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022.

［5］陈治强.三相电压型PWM变换器的非线性控制策略研究［D］.太原：山西大学，2019.

［6］王吉祥.NPC三电平整流器调制算法与中点平衡控制简化研究［D］.上海：东华大学，2023.

［7］刘亚军.三电平逆变器SVPWM控制策略的研究［D］.武汉：华中科技大学，2010.

［8］曾磊乐.T型三电平逆变器的中点电位控制算法研究［D］.成都：电子科技大学，2016.

［9］聂卫民.三电平逆变器的PWM控制策略研究［D］.长沙：湖南大学，2004.

Research on SVPWM modulation strategy based on three-level typical topology structure

Abstract： Currently， the development of new energy technologies in our country faces problems such as large external factors affecting power generation and unstable output of electrical energy. Application of high power converters are the key solution to solve this problem，and the multi-level inverters can meet the requirements of824924e4cb402294d08e6b9481caddfd82941992460121e53dbc581b2ca2e315 high voltage and high power transformation of high-power converters. Taking the T-type three-level inverter as the research object， this article analyzes its modulation algorithm and midpoint potential balance problem， and conducts simulation research. Based on the principle of SVPWM modulation algorithm， the adverse effects of midpoint potential imbalance on space voltage vector are analyzed. A simulation model is built based on MATLAB/Simulink platform， and the effectiveness of three-level SVPWM modulation algorithm on midpoint balance control strategy is verified by the simulative results. The proposed method compensates for the shortcomings of complex algorithm operations and has a promoting effect on the engineering application of three-level and even multi-level inverters.

Key words： T-type three-level inverter; midpoint potential imbalance; SVPWM algorithm