三電平逆變器SVPWM控制策略及實驗研究

摘要：在兩電平的常規(guī)空間矢量PWM算法的基礎(chǔ)上，給出了三電平空間矢量PWM算法，并提出一種改進的三電平空間矢量PWM調(diào)制策略來進行二極管鉗位型三電平逆變器的控制，從而實現(xiàn)最小開關(guān)損耗?；赥MS320F240DSP實現(xiàn)了三電平逆變系統(tǒng)的數(shù)字控制，實驗結(jié)果論證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：二極管鉗位型三電平逆變器；空間矢量脈寬調(diào)制；最小開關(guān)損耗；數(shù)字控制

SVPWM Control Strategy and Experiment Research on Three-level Inverters

ZHANG Jie, ZOU Yun-ping, ZHANG Xian, DING Kai

Abstract:A novel space vector PWM (SVPWM) modulation strategy used in three- level NPC inverter to reduce switching loss is provided.Through coordinating transformation, it can easily obtain the control of the space voltage vector. The whole system has been implemented digitally by using TMS320F240 DSP, and the modulation strategy and control scheme is demonstrated by the experimental waveforms and corresponding spectrums.

Keywords:Diode-clamped three-level inverter; Space vector PWM (SVPWM); Least switching loss; Digital control

1 引言

近幾年來，在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域，一種新型的逆變器——多電平逆變器受到越來越廣泛的關(guān)注。多電平逆變器的思想最早是由Nabae于20世紀80年代初提出的。其基本原理是通過多個直流電平來合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。本文所討論的二極管鉗位型多電平逆變器是通過串聯(lián)的電容將直流側(cè)的高電壓分成一系列較低的直流電壓，并通過二極管的鉗位作用使開關(guān)器件承受的反向電壓限制在每個電容的電壓上，從而在不提高器件電壓等級的前提下相對提高逆變器輸出電壓。

2 拓撲結(jié)構(gòu)

雖然多電平拓撲結(jié)構(gòu)種類較多，但是大致可分為：二極管鉗位型，飛躍電容型和獨立直流電源級聯(lián)多電平這三種拓撲結(jié)構(gòu)。這三種多電平拓撲結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，其中應(yīng)用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓撲結(jié)構(gòu)。本文的研究對象主要是二極管鉗位型三電平逆變器。在圖1所示的二極管鉗位型三電平逆變器中，相對逆變器直流側(cè)中點的參考電位0，逆變器的輸出電壓除了兩電平逆變器輸出電壓＋UD/2和－UD/2，還增加了第三個電平值0。圖1中采用了12個可關(guān)斷功率器件和6個鉗位二極管，在直流側(cè)接有2個等電容量的電容分別是C1，C2，每個電容分擔(dān)的電壓為UD/2，并且通過鉗位二極管的鉗位作用，使每個開關(guān)器件上承受的電壓限制在一個電容電壓（UD/2）上，從而大大減小了開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。

圖1 二極管鉗位型三電平逆變器

與三相兩電平逆變器相同，三相三電平逆變器也可以用開關(guān)變量Sa、Sb、Sc分別表示各橋臂的開關(guān)狀態(tài)，不同的是這時A、B、C橋臂分別有三種開關(guān)狀態(tài)，從而Sa、Sb、Sc為三態(tài)開關(guān)變量，如表1所列。

表1 三電平(NPC)逆變器A相開關(guān)狀態(tài)

因此，A相輸出端A對電源中點0的電壓uAO可以用A相開關(guān)變量Sa結(jié)合輸入直流電壓UD來表示

uAO=·UD (1)

輸出線電壓可表示為

uAB=uAO－uBO=UD·(Sa－Sb) (2)

整理即為

=UD·· (3)

與三相兩電平逆變器相同，三相三電平逆變器可以定義逆變器的開關(guān)狀態(tài)為（SaSbSc），則三電平逆變器有27個開關(guān)狀態(tài)，分別對應(yīng)著19個特定的空間電壓矢量,如圖2所示，并將整個矢量空間分成24個扇區(qū)。由圖2可以看出，19種空間電壓矢量可分為長矢量，中矢量，短矢量和零矢量，分別對應(yīng)著1個，2個和3個不同的冗余開關(guān)狀態(tài)，如表2所列。

表2 開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)電壓矢量

圖2 三電平空間電壓矢量圖

3 空間矢量調(diào)制

與兩電平逆變器相似，三電平空間矢量PWM調(diào)制也是通過對調(diào)制空間矢量的位置進行判斷，選擇進行合成的開關(guān)矢量，并計算其相應(yīng)的開通時間。

我們定義三相三電平逆變器的電壓空間矢量調(diào)制比如下

m= （1）

式中：是在空間以角速度ω=2πf旋轉(zhuǎn)的電壓矢量V＊的模長；

UD是電壓矢量V13的模長。

從圖2中可以看出，三電平逆變器整個矢量空間的24個扇區(qū)可分成6個大的區(qū)間，則每一個區(qū)間包含4個小的扇區(qū)。旋轉(zhuǎn)電壓矢量V＊是由所在扇區(qū)的三個電壓矢量Vx，Vy，Vz合成的。它們的作用時間分別為Tx，Ty，Tz，且Tx＋Ty＋Tz=Ts。Ts為開關(guān)周期?，F(xiàn)定義

X=，Y=，Z= （2）

現(xiàn)在以第一個區(qū)間（0θ60°）為例，計算旋轉(zhuǎn)電壓矢量V＊處在扇區(qū)D1，D7，D13，D14時Vx，Vy，Vz所對應(yīng)的X，Y，Z值。定義m的邊界條件分別為Mark1，Mark2，Mark3，如式（3），（4），（5）所示。

Mark1= （3）