三电平逆变器简化SVPWM 控制算法仿真研究.docx

三电平逆变器简化SVPWM控制算法仿真研究三电平逆变器简化SVPWM控制算法仿真研究摘要：本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出了一种新颖的、易于编程实现的简化三电平SVPWM控制算法。同时，针对三电平拓扑结构固有的中点电位波动问题，分析中点电位波动的原因和抑制方法。基于Matlab/Simulink平台，仿真结果验证了该控制算法的优越性，输出电压波形接近正弦，中点电位平衡。关键词：三电平逆变器;SVPWM;中点电位控制0、引言目前，随着高压变频调速技术的发展，多电平变换器耐压水平高、通流能力强，主要应用于矿井提升、风力发电、有源电力滤波器等高压大功率领域。与两电平成熟的拓扑结构相比，多电平变换器拓扑结构难于统一，其中交直交电压型多电平变换器可分为中点箝位型(NPC型)和单元串联型两大类[1]。而二极管箝位型三电平拓扑结构，由于所需功率器件少、开关频率低、输出波形阶梯数高、du/dt小、以及易于实现高性能控制等优势，应用最为广泛。本文在介绍二极管箝位型三电平逆变器工作原理基础上，提出一种新颖的电压空间矢量PWM控制算法。该算法运用熟悉的两电平SVPWM实现流程，易于数字化实现。同时，针对三电平逆变器直流侧中点电位波动问题，通过改变正、负小矢量作用时间，实现直流侧中点电位平衡控制。1、二极管箝位型三电平逆变器工作原理图1为二极管箝位型三电平逆变器拓扑结构。直流侧由两个滤波电容(12C、C)构成，逆变侧每相桥臂由四个功率开关器件(14~xxSS)、四个续流二极管以及两个箝位二极管(Dx1~Dx2)构成，其中开关对x1x3S、S和x2x4S、S的开关状态互补(x=a、b、c)。三电平逆变器每相桥臂可以输出0dd+E、、?E三种电压，用1、0、?1标识这三种电压输出时的开关状态。三相桥臂经组合后，共有27种开关状态。2、简化的SVPWM控制算法传统的三电平SVPWM控制，往往将一个扇区划分为四个小三角形区域，进而根据参考电压矢量所在区域，计算有效矢量作用时间。由于需要对24个小三角形分别求解，计算量非常大。而运用简化的三电平SVPWM控制算法，通过坐标平移，将参考电压矢量修正到两电平平面中，同时易于实现中点电位控制。三电平电压空间矢量图可以看作由六个两电平电压空间矢量所构成的小六边形叠合而成[4]，每个小六边形以三电平电压空间矢量图中小矢量的顶点作为中心，字母S表示小六边形号如图3所示(S=1~6)。图4为S=1时参考电压矢量修正图。再依次将有效矢量和零矢量进行坐标平移，整个研究便完全转化到两电平电压空间矢量平面中。所在扇区号。再根据伏秒平衡原理确定合成所需的主矢量、次矢量和零矢量的作用时间。值的注意的是，两电平SVPWM算法向三电平平面推广时，要对Vref的α、β分量_refVα和_refVβ值进行修正，同时dcV应用13dE代替，其中dE是三电平变换器直流侧电压。3、中点电位平衡控制3.1中点电位波动原因由于箝位型三电平逆变器自身拓扑结构缺陷，存在直流侧中点电位波动问题。中点电位的波动会导致输出电压谐波含量上升，功率开关器件承压不均，电容寿命减短，对整个装置危害极大。NPC型三电平逆变器直流侧中点电位存在波动，一方面是由于两个滤波电容1C、2C实际参数存在偏差;另一方面，电容和负载之间不同的连接状态，变化的中点电流对电容1C、2C不同程度的充、放电，从而造成中点电位波动。图5显示出了三电平逆变器工作在不同开关状态下，直流电容与负载的七种连接情况。由图5可以看出，中点电位波动与中点电流的大小和方向密切相关，因此，选取不同的电压空间矢量来合成参考电压矢量，对中点电位的影响不同。通过分析可以得出：大矢量对中点电位无影响;当直流侧电容参数有偏差时，中矢量会造成中点电位波动;小矢量的作用必然会引起中点电位波动。不同开关状态对应的冗余小矢量，产生的中点电流方向相反，对中点电位的作用效果相反。我们将使电容1C放电、2C充电，中点电位上升的`小矢量称为正组小矢量;反之，将使得中点电位下降的小矢量称为负组小矢量。3.2中点电位平衡控制算法1)参考电压矢量位于重叠区域当参考电压矢量位于两个小六边形重叠区域时，可以运用改变S值法，改变正、负冗余小矢量的作用时间，抑制中点电位波动。4、仿真研究为验证文中SVPWM控制算法的正确性，在Matlab/Simulink环境下，搭建三电平逆变器控制系统仿真模型，负载接三相对称阻感负载。仿真参数设置为：直流电压U=540V，母线电容C=4700μF，开关频率2cf=KHz，负载电阻R=0.7Ω，负载电感L=0.08H。图7为SVPWM控制仿真模块，主要由：小六边形号判定模块、参考电压修正模块、扇区确定模块、作用时间计算模块以及PWM生成模