三電平SVPWM逆變器中點(diǎn)電壓平衡的研究

摘    要：文章簡(jiǎn)要分析了中點(diǎn)鉗位式三電平逆變器的基本原理，提出了一種平衡中點(diǎn)電位的新方法，并運(yùn)用TMS320F2407實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制系統(tǒng)，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案的正確性。
關(guān)鍵詞：中點(diǎn)鉗位；三電平逆變器；DSP
引言
多電平逆變器由于具有效率高、動(dòng)態(tài)性能好、對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的諧波較少，適合高壓大容量等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大容量交流調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。
三電平(NPC)逆變器的中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題已經(jīng)被越來(lái)越重視，本文簡(jiǎn)單介紹一種平衡中點(diǎn)電位的新方法。

三電平逆變器的基本原理                           
如圖1所示，三電平逆變器每一相橋臂的4個(gè)開(kāi)關(guān)元件Sx1, Sx2, Sx3, Sx4(x=a,b,c)有3種正常的開(kāi)關(guān)模式。當(dāng)Sx1和Sx2觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，X相輸出正電平，Sx2和Sx3觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，X相輸出零電平，Sx3和Sx4觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，X相輸出負(fù)電平，三電平分別用1、0、-1表示，其中4個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足條件：Sx1=， Sx2=。NPC開(kāi)關(guān)邏輯和空間電壓矢量圖如圖2所示。其中：

中點(diǎn)電位控制的新方法                                       
如圖3所示，把三電平逆變器空間矢量圖看成由六個(gè)小六邊形組成，s的值(1，2，3，4，5，6)分別代表小六邊形。每個(gè)小六邊形則代表通常的兩電平逆變器的空間矢量圖，從而使三電平逆變器向兩電平逆變器轉(zhuǎn)換，便于對(duì)三電平逆變器空間矢量的分析。
根據(jù)給定的參考電壓矢量的位置，在六個(gè)小六邊形中選擇一個(gè)六邊形，使參考電壓矢量處于所選六邊形的內(nèi)部。從圖3可以看出，兩相鄰六邊形在某些區(qū)域是相互重疊的，參考電壓矢量在這些區(qū)域時(shí)s 有多個(gè)值。如在圖4中，S12所指三角形區(qū)域時(shí)s的值為1或2。當(dāng)s=1時(shí)，Vref減去點(diǎn)(POO)的矢量V0即得V1，經(jīng)過(guò)這樣的矢量變換，原始參考矢量Vref的原點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)換到所選六邊形的中心點(diǎn)(POO)，從而使三電平矢量向兩電平矢量轉(zhuǎn)換。
三電平相電壓向量[Va ,Vb ,Vc]的關(guān)系式為：

其中a1、b1、c1分別為開(kāi)關(guān)變量，可表示為1，0，-1，因而短矢量(即所選六邊形中心電壓矢量)位置的相電壓向量可以確定，如點(diǎn)(POO) 處的相電壓向量分別為： Va=Vdc/3,Vb=Vc =-Vdc/6；點(diǎn)(PPO)的相電壓矢量為：Va=Vb=Vdc/6，Vc=- Vdc/3；點(diǎn)(OPO)的相電壓矢量為：Va=Vc=-Vdc/6，Vb=Vdc/3等等，由此可得各六邊形中心點(diǎn)的矢量值。
s的值確定后，參考電壓矢量的原點(diǎn)就可以轉(zhuǎn)移到所選六邊形的中心位置。從圖4中可以看出，當(dāng)s=1時(shí)，參考電壓矢量 減去所選六邊形的中心矢量V，就可以得到修正電壓矢量 ，如表1所示。
在三電平逆變器空間矢量中大矢量不影響電容電壓波動(dòng)，因而對(duì)中點(diǎn)電位平衡沒(méi)有影響。只有中、小矢量對(duì)中點(diǎn)電位有一定的影響，所以當(dāng)參考電壓矢量位于相鄰小六邊形重疊的區(qū)域，中點(diǎn)電位可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)次序來(lái)控制。如圖4所示，s值為1或2，當(dāng)s=1時(shí)根據(jù)最近三矢量(NTV)原則，開(kāi)關(guān)次序?yàn)椋?POO)→(PON)→(OON)→(ONN)。此時(shí)若負(fù)載電流從電容器流出，則負(fù)載電流將使電容C2放電VC2↓，C1充電VC1↑，電壓誤差△V = VC1- VC2>0；當(dāng)s=2時(shí)，開(kāi)關(guān)次序?yàn)椋?PPO)→(POO)→(PON)→(OON)。若負(fù)載電流從電容器流出則使電容C1放電VC1↓，C2充電VC2↑，電壓誤差△V=VC1- VC2<0。從以上分析可知，根據(jù)電壓誤差以及三相電流方向，只要改變s的值(加1或減1)就可以有效地控制中點(diǎn)電位平衡。

矢量作用時(shí)間的計(jì)算及其時(shí)序圖
圖5所示三邊形由電壓矢量V0、V13、V14組成，且被劃分為4個(gè)小區(qū)域1、2、3、4。如果參考電壓矢量Vref位于區(qū)域2，以電壓矢量V13為參考軸，則各電壓矢量及參考電壓矢量的關(guān)系如下：
V1=                                      (1)
V7=                            (2)
V2=                               (3)                    
Vref=V                               (4)
又由兩電平逆變器可知，空間矢量PWM滿足以下兩個(gè)等式：
V1