NPC型三电平逆变器SVPWM控制研究与仿真

肖 潇，宋平岗，喻 冲

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013）

二极管三电平逆变器在中高压交流电机传动，电网无功补偿等多个领域具有广泛的应用。与两电平拓扑相比，具有如下优点：1很好的解决了器件耐压不够高的问题；2输出相电压和线电压更接近正弦波；3在相同的频率下，输出谐波含量大幅降低。

电压空间矢量PWM调制方法是通过对开关矢量的选择以及开关矢量作用时间的计算来实现的。本文以三电平逆变器为研究对象，对其采用SVPWM调制方法，并进行仿真研究。

1 NPC三电平逆变器拓扑结构

图1所示为二极管箝位型三电平逆变器主电路，Udcc为直流电压；Smn（m=a，b，c；n=1，2，3，4）为开关管。 Dj（j=1，2，3，4，5，6）为二极管。其每一相可以输出电压为Udc/2，0，-Udc/2的3种电平。以a相为例，其开关管的开关状态和输出电平的关系见表1。

表1 A相开关管状态表Tab.1 Switching variables of phase A

由图1和表1分析可知，主开关管Sa1和Sa4不能同时导通，否则4个开关管将短路，且Sa1和Sa3，Sa2和Sa4的工作状态刚好相反，即工作在互补状态，平均每个主开关所承受的正相阻断电压为Udc/4。

2SVPWM调制原理

2.1 三电平逆变器空间矢量分析

对于通用的两电平逆变器，工作状态只有23=8种，而三电平逆变器有33=27种。可用P，O，N表示直流侧电源的3种电位，P表示+Udc/2，O表示零电位，N表示-Udc/2。用该3个字母表示三电平逆变器在此工作状态下三相输出端A，B，C分别与直流侧电源哪一电位点相连。如有PPP，OPN，NPN等27种工作状态。

若定义开关向量Sa，Sb，Sc代表各相桥臂的输出状态，则此时可定义空间电压矢量为

同理，可计算得其它开关矢量。按幅值大小来分，共有6个幅值为Udc的大矢量，6个幅值为2Udc/3的中矢量，12个幅值为Udc/2的小矢量，3个零矢量。

将这些矢量在二维平面上进行排列，则在α-β平面上的系统的空间矢量如图2所示。如不计重合矢量，独立的矢量只有19个。

2.2 矢量作用时间计算

式中：Ts为采样周期；Ta，Tb，Tc分别为矢量Va，Vb，Vc对应的作用时间。因此由以上的公式可以求出各个矢量的作用时间，求得每个小区间内矢量的作用时间表。如图3所示，当矢量位于第一扇区中的A小区间时，A小区间内V0由，V10，V20三个基本矢量组成，由上述公式可知

3仿真实现

3.1 判断Vref所在扇区

3.2 判断Vref所在区间

3.3 确定基本矢量的作用顺序

在三电平逆变器SVPWM方法中，为了防止两个串联的开关管同时导通或关断，以及减少开关次数，开关状态转换必须满足下列要求：

1）同一桥臂不允许N状态直接切换到P状态。

2）从一个开关状态到下一个开关状态，三相桥臂只允许一相有开关动作。因为如果有两相或者三相的桥臂同时作用，会在线电压的半周期内出现反极性的脉冲，产生反向转矩，引起脉动。

为此通常采用输出矢量的首发矢量均采用正小矢量或者负小矢量的算法，本文采用的是首发矢量为正小矢量。正小矢量和负小矢量分别指开关状态只有P，O或者N，O状态的小矢量。基于上述的原则，借鉴二电平采用中心对称7段式脉冲系列，将Ts分为7段，以B区间为例，矢量作用顺序为POO，PON，OON，ONN，OON，PON，POO，作用时间分别为Ta/4，Tb/2，Tc/2，Ta/2，Tc/2，Tb/2，Ta/4。

3.4 跳变时间的计算

根据每个区间的矢量作用顺序和作用时间，画出该区间的开关状态的波形图。图4为第一扇区B区间内参考电压的输出电压矢量时序图。由图4可知3个开关的跳变时间分别为Ta/4，Ta/4+Tb/2，Ta/4+Tb/2+Tc/2，3Ta/4+Tb/2+Tc/2，3Ta/4+Tb/2+Tc，3Ta/4+Tb+Tc，Ta+Tb+Tc。

3.5仿真结果

用MATLAB软件进行仿真，设采样周期为0.01 s，直流侧电压Udc=200 V，负载电阻R=100 Ω，负载电感L=50×10-3H。图5～图8给出了调制比M分别为0.778时和0.389时，A相相电压和线电压波形。

4 结论

从仿真结果可以看出，三电平逆变器的特点是由多个电压等级合成的输出电压为正弦波形，并且当调制比M＞0.5时，此时线电压呈现五电平。当调制比M≤0.5时，参考电压在A区间，此时参考矢量由小矢量，零矢量组成，线电压退化为三电平，即三电平逆变器吃时已退化为两电平。

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