（电工理论与新技术专业论文）基于fpga的npc三电平vsi系统设计和svpwm算法研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mf o rn p ct h r e e - l e v e li n v e r t e r a n ds v p w mb a s e df p g a a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e li n v e r t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di np o w e re l e c t r o n i c s ， t h e r ei sm o r ea n dm o r es t u d yo ni t sc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h et o p o l o g yo fi t sp o w e r c i r c u i t i nc o m p a r i s o nt ot w o l e v e li n v e r t e r , i th a ss o m ea d v a n t a g e sa sf o l l o w i n g ： 1 m u t i l l e v e li n v e r t e rr e d u c et h ed i d ta n dt h ed v d to ns w i t c h e s ；2 a tas a m e f r e q u e n e y , am u l t i l e v e li n v e r t e r so u t p u th a sab e t t e rw a v e f o r i l lt h a nt h a to fa t w o - l e v e lo n e ；3 m u t i l l e v e li n v e r t e rc a nh a v eh i g h e rv o l t a g ew i t ht h ei n c r e a s i n go f t h en u m b e ro fi t si e v e l s a sl e v e l s i n c r e a s i n go fi n v e r t e r s ，t h es p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v p w m ) o f m u l t i 1 e v e li n v e r t e r si sc o m p l e xm o r ea n dm o r e b a s e dt h ei n t r i n s i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e n s v p w m sf o rt w o 1 e v e li n v e r t e r sa n dt h r e e - l e v e li n v e r t e r s an o v e ls v p w mc o n t r o i a l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt h r e e - l e v e li nt h i sp a p e r n 屺d w e l lt i m eo fv o l t a g ev e c t o rf o r t h r e e l e v e li n v e r t e rc a nb ea c q u i r e df r o md w e l lt i m eo f v o l t a g ev e c t o rf o rt w o - l e v e li n v e r t e r b yu s i n ga l i n e a rt r a n s i t i o n a tl a s t , t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sv e r i f i e do np r o t o t y p ei nl a b o r a t o r yb a s e df p g aa n d m o s f e n lt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e da n di t c 锄b ee x t e n d e dw l o r eh e li n v e r t e re a s i l y k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e li n v e r t e r ：s v p w m ；f p g a ；e m b e d d e dc o m p u t e r 插图目录 图l - l 二极管钳位型三电平拓扑电路( a 相) 4 图l - 2 电容钳位型三电平拓扑电路( a 相) ，4 图1 - 3 电容钳位楚三电平拓扑电路( a 相) 5 图l - 4 三电平多载波s p w m 调制图。6 图2 - 1 二极管钳位型三相三电平逆变器1 0 图2 - 2 任一桥臂的开关状态组合1 0 图2 - 3 三电平逆变器输出的相电压、线电压波形简图1 2 图2 - 4 长矢鼍 2 0 0 状态时的电流同路1 2 图2 - 5 中矢量 2 1 0 1 状态时的电流回路1 3 图2 - 6 短矢量 1 0 0 和 2 1 1 1 状态时的电流回路1 3 图2 - 7 零矢量 0 0 0 1 状态时的电流回路。1 4 图2 - 8 三相三电平逆变器空间矢量图1 6 图2 - 9 第一大扇区内电压矢量图2 l 图3 1 两电平逆变器的空间矢量图2 2 图3 - 2 三电平在a 大区的空间矢量图2 3 图3 3 三电平目标矢量在a 3 区2 5 图3 - 4 三电平目标矢量在a 1 区2 6 图3 5 三电平目标矢量在a 2 区2 6 图3 - 6 三电平目标矢量在a 4 区2 7 图3 7 任意阶电平逆变矢量与两电平逆变的关系图。2 8 图3 8 五电平逆变线电压波形图2 9 图3 9 九电平逆变线电压波形图2 9 图4 1 完整的逆变器系统框图组成3 0 图4 2f p g a 器件的编程和配置电路图3 2 图4 - 3f p g a 器件在线下载配置时序图3 2 图4 - 4 嵌入式计算机外形图3 3 图4 5p c i 0 4 总线计算机管脚分布图3 4 图4 - 6 模拟信号采样放大电路3 5 图禾7a d 7 4 9 0 数模转换芯片及外围电路图3 5 图舡8 整形驱动电路3 6 图4 - 9r s 2 3 2 r s 4 2 2 接口转换电路3 7 图5 1 完整的f p g a 设计流程图3 9 图5 - 2 基于f p g a 和嵌入式计算机控制的三电平逆变系统原理框图，4 0 图5 - 3f p g a 中的f i f o 功能块。4 l 图5 4f i f o 功能块的时序仿真图4 2 图5 5 时间计时器的时序仿真图4 2 图5 - 6 逻辑互锁和死区保护模块4 3 图5 7 死区保护时序仿真图4 3 图5 8a d 7 4 9 0 芯片对外通讯接口时序图4 4 图5 - 9 三电平逆变控制系统工作流程图4 5 图6 - l 三电平逆变实验波形输出4 6 表格目录 表1 i 三种拓扑结构优缺点对照表5 表1 - 2 三种p w m 控制策略优缺点对照表。 表2 - 1 相电压切换示意图 表2 - 2 短矢量开关状态及对应的中点电流1 4 表2 - 3 ( a ) 内部三角形的调制 表2 - 3 ( b ) 中部三角形的调制i g 表2 - 3 ( c ) 外部三角形的调制1 9 表2 - 4 第一大区内各小三角区对应的空间矢量作用时问2 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据 我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金理王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者魏受掩丝 签字日期：。 年雨6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 三些太堂有关保冒、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金b 王 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名j 裘述楚 签字醐：呵釉刖 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字眺3 。矿 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师王群京教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，王群京导师 渊博的学识、严谨的治学态度、对科学研究孜孜不倦的追求以及高尚的人格使 我受益匪浅，成为促使我前进和学习的楷模! 王老师不仅在学业上给我以启迪 和教诲，而且在生活上给我以关心和支持，在此我要向王老师表示衷心的感谢。 姜卫东老师孜孜不倦的探索精神、敏锐的学术洞察力使我终身难忘。在近 三年攻读硕士研究生期间，我得到姜老师的悉心指导和大力帮助，在此我向他 表示衷心感谢。 在硕士论文完成期间，得到了新型传动实验室很多老师和同学的指导和帮 助。特别感谢吴海岸同学、陈权同学和胡存刚老师，他们对课题的研究工作提 出了很好的建议和意见，付出了辛勤的劳动，同样值得我尊敬。 在复习迎考和攻读硕士学位的日子里，我同样得到来自工作单位一中国电 子科技集团公司第3 8 研究所电子工程部梅晓春主任和李川书记的大力支持和 理解，在此期间谭剑波、杨志谦、黄翌、段玲琳、叶明傲、朱弘等同志也给与 我无私的帮助，在此一并表示最真诚的感谢。 最后我要感谢我的家人给了我前进的动力和精神鼓励，特别是我那还在跚 跚学步的女儿，也正是有了家人的鼓励和支持我才能够安心完成学业。 作者：段晓超 2 0 0 7 年0 5 月 1 1 电力电子技术概述及发展趋势 第一章绪论 能源短缺和环境污染是人类共同面l 临的世界性难题，如何节能降耗成为现 阶段最热门的话题之一。电能作为一种高效的二次能源在人们的生产生活中已 起到不可替代的作用，电力电子技术作为一门研究电能转化和控制的科学随之 应运而生。 所谓电力电子技术就是采用电力半导体器件和电路，对电能进行功能变换、 控制和优化利用的一门技术。该技术广泛用于电机调速、电力系统及各种电源 系统等工业生产和民用系统中l l l 。 随着制造工艺和技术的日益完善，现代电力电子器件正向高频、高效、高 功率因数、高功率密度、高压大功率、智能化的方向迅速发展。在此基础上发 展起来的高频p w m 技术、谐振软开关技术及全数字化控制技术已成功应用在 各种电力电子设备及电机调速系统中b 】。 1 1 1 逆变器的发展背景 据统计，我国发电量的6 0 7 0 用于推动电动机做功，其中9 0 是交流电 机，而且大部分是简单地直接拖动，没有设计调速系统，所以深入研究如何对 交流电机进行变速优化控制对节省能源、提高效率显得意义重大【3 1 。 近年来交流调速技术在风机、水泵和交通领域等低压变频器中得到一定的 推广使用。众所周知，交流电机调速不像直流电机那样容易实现，目前最常用 的交流电机调速大都采用变频调速方案，因此开发交流电机变频调速节能装置 对于降低单产能耗具有十分积极意义1 4 j 。 另一方面，随着电力电子装备中非线性设备在电力系统的大量应用，交直 流电网中的无功和谐波污染日益严重。采用大容量电力电子装备构成的无功补 偿和有源滤波及相关技术补偿电网中的无功功率、治理谐波是无功补偿和电力 滤波技术的发展趋势之一【5 1 。 1 1 2 逆变器的分类和特点 功率变换装置的分类根据有无中间直流环节可分为“交交”变频和“交 直交”变频两种形式。“交交”变频省去了中间的直流环节，体积小、重量轻， 但是输出频率低，一般为输入频率的1 3 l ，2 ，只适用于低频场合运用【l 】。“交 直交”变频存在中间直流储能环节，低频时输出变压器能量传输困难，不适合 低频重载场合【们。根据所用储能元件性质的不同又可以分为电流型和电压型两 种：其中电流型变换器正在向直流母线电流可调、整流逆变均进行脉宽调制的 方向发展；而对于电压型逆变器而言，输出电压电平数越多，共模电压幅值越 ，j 、。 1 1 2 1 传统功率逆变电路 传统的大功率逆变电路大致可分为普通三相逆变器、降压一普通变频一升 压电路、变压器耦合的多脉冲逆变器和交一交变频器等四大类。这几种传统的 逆变电路中，逆变输入端为唯一的直流源，只能对一个恒定幅值的直流电压 进行脉宽调制，输出则为p w m 波形，此时p w m 波形只有0 和两种电平。 特别在高压变频中，传统的两电平逆变主要存在以下几个问题1 1 ： 1 单个功率管承受的电压高( 而串联使用则存在均压困难、同时开关等 诸多问题) ； 2 高频变换导致很高的d ，d , 、西d , 、浪涌电压、共模电压，容易引起电 机绕组绝缘击穿； 3 高频开关切换产生很大的开关损耗，转换效率降低； 4 高频开关动作对周边的电子设备产生强大的电磁干扰，严重时可以导 致器件的误触发和误动作； 5 功率因数普遍较低； 1 1 2 2 新型多电平电压型逆变器 伴随着2 0 世纪8 0 年代的以门极可关断晶闸管g t o 、功率晶体管g t r 、功 率m o s f e t 为代表的自关断器件和9 0 年代的绝缘栅双极结晶体管i g b t 、集成 门极换流晶闸管i g c t 为代表的新型复合器件的长足发展，大功率变换器的发 展也日益高性能化，人们开始寻求更安全更高效的高压逆变方案。 2 0 世纪8 0 年代，人们将两电平逆变器发展为多电平逆变器。多电平逆变 器在本质上和两电平逆变器是相同的，即按照一定时间顺序控制更多的直流电 压源的开通、关断形成一定的回路来得到不同的电压组合。由于电压型逆变器 得到了广泛而深入的研究，各种电压型多电平变换电路拓扑相继被提出，其控 制性能得到了极大提高，因此成为电力电子系统的发展方向。 多电平逆变器较两电平逆变器相比有以下显著优点j ： 1 任何时刻处于关断状态的开关器件承受的压降为，( m i ) ，更适合大容 量、高电压场合； 2 由于输出电平数增加，输出波形阶梯数增加，更加逼近正弦波，波形 质量高，谐波分量减少，主要高次谐波远高于开关频率； 3 输出电平数的增加降低了输出电压的跳变，即“以小，电磁干扰问题 大大减轻； 4 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 由于多电平逆变器具有许多优势，近年来越来越受到关注。但如果电平数 过多，工程实践中将会遇到诸多障碍：如硬件电路过于复杂，每相需要2 ( i n - 1 ) 个功率器件、2 x ( m 1 ) 个续流二极管；如控制计算量大、数据表格复杂；如 中点电压控制困难等。所以，在达到负载供电要求的情况下并不要盲目追求过 多的电平数，目前以三电平和五电平最受重视。 在多电平逆变器的发展过程中具有里程碑意义的事件是1 9 8 0 年日本长网 科技大学a n a b a e 等人在i e e e 工业应用( i a s ) 年会上提出的中点钳位型三电 平逆变器拓扑结构 9 1 。 1 2 多电平逆变器技术简介 1 2 1 多电平逆变器的分类 多电平逆变器的类型根据不同的方法可以划为不同类型。按照主拓扑电路 的结构划分，多电平逆变器大致可分为下列两大类r i o ： 1 钳位型拓扑： 二极管箝位型( d c m i ) ； 电容箝位型( f c m i ) ； 2 级联型拓扑： 基于独立直流电源级联型 其中前两者的基本单元为先串联后并联，第三种为先并联后串联。下面简 要介绍每种逆变器的拓扑电路。 1 2 1 1 二极管钳位型多电平逆变器 该型三电平电路最早由德国h o l t z 提出，后来由日本学者a n a b a e 加以发 展【】。以三电平为例，二极管钳位型三电平逆变器的主拓扑电路如图1 - 1 所示 ( 以a 相为例) ： l s ，匕j d l l 。_ 、1 c 1 - - s z 划 of u d c 篙水j u c ： c 2 = r，泓 j | a 图1 - 1 二极管钳位型三电平拓扑电路( 相) 从图中可以得出，二极管钳位型r n 电平逆变器的每相电路中需要m 1 个均 压电容，每个电容上分得( m 1 ) 电压，这样相当于提高了单个电容的耐压值， 这一点在高压逆变系统中具有很大意义。 1 2 1 2 电容钳位型多电平逆变器 该型多电平逆变器由法国学者t a m e y n a r d 和h f o c h 提出，它采用悬浮电 容代替二极管对功率开关进行直接钳位，不存在二极管钳位型逆变器中对主、 从功率开关的阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速恢复的问题。【1 2 1 以三电平为例，电容钳位型三电平逆变器的主拓扑电路如图1 2 所示( 以a 相 为例) ： 图l - 2 电容钳位型三电平拓扑电路( a 相) 电容钳位型逆变器具有大量的冗余相电压，为了输出给定的电平电压，无 论负载电流流向如何，都可以从中找到能同时平衡悬浮电容电压的合成方法。 因此与二极管钳位型多电平逆变器相比，电容钳位型的电压合成控制和电容电 压的平衡控制都更为灵活【”l 。 4 1 2 1 3 基于独立直流电源级联型多电平逆变器 以三电平为例，基于独立直流电源级联型多电平逆变器的主拓扑电路如图 1 3 所示( 以a 相为例) ； v d l v d 2 a n 图1 3 电容钳位型三电平拓扑电路( a 相) 通过比较上述三种多电平逆变器的主拓扑电路，容易得到它们各自的优点 和缺点，表1 1 是三种结构的逆变器优缺点比较表： 表1 - 1 三种拓扑结构优缺点对照表 泌 优点缺点 1 功率器件的阻断电压为u ( m 1 ) ， 1 需要大量的钳位二极 正向耐压值提高了( m - 1 ) 倍；管； 2 功率器件在基频下运行，效率高， 2 功率器件导通时间不 二极管箝位型 损耗小；同，负荷不一致； 3 可控制有功和无功功率流动； 3 分压电容存在电压不 均衡问题； 1 功率器件的阻断电压为u ( m - i ) ， 1 需要大量的钳位电容： 正向耐压值提高了( m 一1 ) 倍；2 用于有功功率传输时 2 功率器件在基频下运行，效率高，控制复杂，开关频率 电容籍位型损耗小；高，损耗大； 3 可控制有功和无功功率流动；3 用于有功功率传输时 4 控制电路较二极管钳位型灵活； 分压电容存在电压不 平衡问题： 1 无需钳位二极管和电容；1 需要多个独立的电源； 2 功率器件在基频下运行，效率高，2 不易实现四象限运行； 独立直流电源损耗小； 级联型3 可采用软开关技术以省掉耗能笨 重的阻容吸收电路； 4 不存在电容电压不均衡问题； 1 2 2 多电平逆变器的调制策略简介 p w m 控制技术目前已成为电压型逆变器控制的核心技术，并得到了深入 研究发展。所谓p w m 技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成 一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效控制和消除谐波的一种技 术【1 4 l 。尽管多电平逆变器的拓扑是多样的，但p w m 技术主要对两个方面的目 标进行控制： 1 对输出电压的控制； 2 对变换其本身运行状态的控制。 目前三电平逆变器中可供使用的p w m 技术主要包括： 1 正弦载波调制法( s p w m ) ； 2 特定谐波消除调制法( s h e p w m ) ； 3 空间矢量法( s v p w m ) 等。 1 2 2 1 正弦载波调制法 正弦载波调制法又称相电压调制法，控制电路对给定的标准正弦信号u 和 三角载波屹进行比较，在两波形相交时进行脉宽切换，经过正弦s p w m 开环调 制后产生一定频率和脉宽的开关信号( s o ，岛，& ) ，在驱动三电平逆变器的 开关器件。其工作过程可以由如图1 - 4 所示来形象解释【”】： 图1 - 4 三电平多载波s p w m 调制图 1 2 2 2 特定谐波消除调制法 特定谐波消除调制法的思想最早是针对传统的两电平变换器提出的，其控 制思想是在预先确定的角度出实现特定开关的切换，将输出的正弦波进行傅立 叶变换，得到应该被消除的最低次谐波，再通过一定的算法计算出特殊位置的 开关角，从而产生预期的最优的p w m 控制，以消除选定的低频次谐波1 6 1 7 1 。 6 1 2 2 3 空间矢量法 空间矢量法s v p w m 调制方式是一种建立在空间矢量合成概念上的p w m 方法，其控制思想是在空间矢量的p w m 调制策略中将a b c 坐标系内三相正弦 交流电压用一个旋转的电压矢量来代替。当旋转电压矢量落入其中一个扇区时， 这个旋转电压矢量就可以用临近的三个固定位置的电压矢量进行合成。通过控 制这三个电压矢量的作用时间就可以控制旋转电压矢量的模长和方向“。 表1 2 是三种控制方法的优缺点比较： 表1 2 三种p w m 控制策略优缺点对照表 泌 优点缺点 正弦载波 1 调制波形简单： 1 开关频率高，开关损耗 2 控制简单，易于实现；大，电压利用率低； 调制法 2 中点电压控制困难； 1 在同样的开关频率下，可以产生1 必须用牛顿迭代法求 满足某个优化目标的输出电压波 解非线性方程组，比较 形；繁琐，需要进行离线计 2 波形质量的改善，减小了直流侧算； 特定谐波消除 电流纹波；2 采用查表法取得开关 调制法3 在同样波形质量的情况下，可以切换时刻，需要较大的 得到最低的开关频率，从而降低 数据表格； 开关损耗，提高转换效率；3 控制的实时性和灵活 4 可以得到较高的基波电压，提高 性较差； 直流电压得利用率； 1 。输出电压过渡更自然，合成的磁1 控制较复杂； 链更接近圆形磁场，适合驱动电 2 中点电压的控制较复 空间矢量 机负载：杂； 2 效率高，控制精确，输出电压谐 调制法 波小； 3 控制的灵活性强，易于数字化实 现： 1 3 本论文研究的主要内容和意义 1 3 1 课题研究的主要内容 本论文将重点阐述基于s v p w m 算法的二极管钳位型三电平逆交器系统， 主要涉及的研究内容包括一下几个方面： 7 1 2 3 4 5 二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构和工作原理； 传统三电平逆变器s v p w m 控制算法； 一种改进的三电平逆变器s v p w m 控制算法： 改进的s v p w m 控制算法对多电平逆变算法的拓展研究； 基于f p g a 器件和嵌入式计算机的三电平逆变器控制系统硬件平台 搭建； 6 控制系统软件固件设计； 7 三电平验证系统的实验运行结果； 8 本硬件平台对研究多电平逆变控制的意义； 1 3 2 课题研究的意义 二极管钳位型三电平逆变器作为目前较常用的d c a c 方法，也是近年来电 力系统研究的热点。作为实现其功能的重要组成部分，控制系统一直是三电平 逆变器的核心部分。从软硬两个方面讲，控制系统的设计主要包括控制策略的 运用和控制电路器件的选择。 最早的三电平控制采用单片机实现，由于受到单片机的运行速度和集成功 能的限制，这个时期的三电平逆变器大都为开环控制，运算量小，设备简单。 如同电力电子器件的发展一样，微电子技术也得到长足发展，目前对三电平逆 变器的控制大都采用d s p 来实现，其中又以美国德州仪器公司生产的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 使用最为广泛。该型d s p 芯片成了传统单片机控制系 统的廉价替代品，又由于4 0 m i p s 的处理速度和强大的片上功能，成为当前工 程实践中三电平控制的主流控制器l l9 1 。 为了更加提高三电平逆变器控制系统开发的灵活性和开放性，本文将介绍 一种基于f p g a 器件和嵌入式计算机的三电平控制系统。该控制系统最大的特 点是开发方便，软件和固件的设计都支持在线编程下载。由于使用嵌入式计算 机，软件固件开发变得更加容易。本控制系统中软件采用高级语言t c 作为编 译环境，代码编写方便；f p g a 器件更是由于其开发灵活方便且功能强大而越 来越多得运用在各种场合的控制系统中，特别是对于处在研发阶段的产品、课 题或者需要反复使用的实验室，f p g a 更是显现出其优越性。所以本论文中描 述的三电平控制系统使用的正是基于m s m 4 8 6 型嵌入式计算机和e p f l 0 k 5 0 型 f p g a 构建的，最后的实验证明了该控制方案的可行性和正确性。 该控制系统充分发挥f p g a 器件和计算机各自的长处，使两者的功能有机 结合，将三电平s v p w m 控制技术软化，将大量的算术运算、动作决策、算法 优化等任务由计算机完成，而产生p w m 方波、死区控制、逻辑保护等由f p g a 8 器件完成，最大限度的使软件和固件有序地协同工作。 由于该论文中提出了一种新型的三电平分区算法，大大减少了传统分区算 法的复杂度和计算量，使计算机在三电平逆变控制中运用成为可能。而且该算 法同样可以很容易地扩展到五点平、七电平甚至更多电平逆变的s v p w m 控制 系统中，为多电平逆变控制提供了一种方便有效的途径。 基于嵌入式计算机和f p g a 器件的三电平逆变控制平台的另一个显著特点 就是在工程实践中从理论上和方法上摆脱了传统控制方法对电平数的严格限 制，可以方便地升级到更多电平逆变控制系统中。由于嵌入在f p g a 器件内的 f i f o 存储器可以方便改变宽度和深度，所以该控制方法可以不受电平数和控制 算法的限制实现更复杂的逆变控制任务，为多电平逆变器的控制提供一种全新 的思路和方法。 9 第二章二极管钳位型三电平逆变器 2 1 二极管钳位型三电平逆变器的运行机理帅1 图2 1 为二极管钳位型三相三电平逆变器的主拓扑电路图： s 1 一j z 卜一j d l l 心l 。、。 蚴 7 一 7 、2 i 1 、 c 1 - - s 2 、广一卜一卜 1 c ，m o i l 匕 z - 卜一j u c 2温水卒0 3 i 1 卜l 。 c 2 = 。v 。o j 舛 亍t ，。4 区 其余都在a 3 区 得到以上的结论后回头分析，可以把作用时间f l 看作是e 在参考矢量旷中 作用的时间权重，即以下两个命题互为充分必要条件( 命题等价) ： 1 任何一个矢量的作用时间大于妻r ； z 2 参考矢量落在以k 为顶点的小三角形内； 这样我们就可以利用两电平逆变中的作用时间4 0 、f l 、，：经过简单的数学判 断就可以轻易的区分其在三电平逆变矢量图中的分区，其计算量较直接利用三 电平逆交计算公式大大简化。 同理可以得到三电平矢量图中b 、c 、d 、e 、f 大区的分区判据。 3 2 2 基于两电平s v p w m 的三电平作用时间算法 上一节实现了将基于两电平逆变算法拓展到了三电平逆变的分区，下面将 讨论如何利用已经求解出的两电平作用时间b 、f l 、t 2 如何进行二次转换成三电 平逆变算法中所需的作用时间“、r 2 ，和0 。 ( 1 ) 当目标矢量在a 3 区 图3 - 3 三电平目标矢量在 3 区 若目标矢量位于a 3 区，则用于合成目标矢量的三个矢量为k 【1 0 0 】( 【2 1 l 】) 、 【1 1 0 】( 【2 2 1 】) 和吃1 2 1 0 ，并且这三个矢量与嵋、满足如下关系： 三电平中矢量合成规则为： f r ，；k + r ：圭砭+ 岛；( k 十) = 矿r i ， i t i + t z + t 3 = t l + ，2 + f o 通过比较系数法即可得到作用时间满足如下关系： ? 嘲 ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 通过求解上述方程组，就可以计算出a 3 区内合成目标矢量的每个矢量的 ， 作用时间t t 、t 2 和f 3 。 书书书 r矿 = 坞玎 ，b+，如 、 心= 弘现 任= 翟啦刁( 3 1 2 ) k = 弘盔 晖 巧 k 图3 - 4 三电平目标矢量在a 1 区 此时两组矢量的对应关系为： 吖= ；k ；0 _ 篁； ( 3 - 1 3 ) 同理可以求解出： i = 翟 呓= t 一2 f 1 2 i t ；= 丑2 ( 3 一1 4 ) ( 3 ) 当目标矢量在a 2 区 当目标矢量旷落在a 2 区内时，如图3 5 所示。 图3 - 5 三电平目标矢量在a 2 区 此时两组矢量的对应关系为： 弘j 1 e 。 嵋= ；( k + 巧) = 巧 ( 3 一1 5 ) 同理可以求解出： i = r 一2 t i 一2 t 2 托= 2 t 2 ( 3 1 6 ) k = 2 t l t ( 4 ) 当目标矢量在a 4 区 当目标矢量，。落在a 4 区内时，如图3 - 6 所示。 图3 - 5 三电平目标矢量在a 4 区 此时两组矢量的对应关系为： 吖= 吃 琏= ；( h + 吒) 一= ；屹 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 综上所述，计算出两点平逆变中的f o 、屯、f ：后既可以方便完成三电平分区， 又可以通过已经求出的，o 、t l 、，：简单线性运算得出三电平逆变中的作用时间，- ， f 2 ，l ，这就是此种改进型三电平逆变算法在计算量上较传统算法的优化和精 简，这种方法在每个大区内只要求解一次三角运算，而六个小区的运算分别使 用两电平逆变转换得时间通过线形运算得到，从而成功地避免了在每个分区内 都要进行复杂三角运算的方法，使整个系统的计算量较少将近6 倍。 3 3 改进算法在高阶s v p 删控制中的拓展 根据第3 2 节中的分析，能够得到这样的结论：多电平矢量图中每个小区 的分界线所代表的肯定是某一个或几个矢量作用时间的线性组合，即根据两点 平逆变中“、，1 、f 2 的一个或几个通过既定的线性运算就可以判定参考矢量所在 的分区。所以前面描述的基于两点平s v p w m 的三电平分区和作用时间算法同 样适用于五电平、七电平甚至更多电平。显然，基于这种思想的分区和作用时 间算法不论使用在n 电平逆变控制器中，都只需要求出两点平的作用时间“、 t l 、0 2 ，然后通过一组线性的不等式组就可以判定参考矢量的分区为止，然后 通过两者之间的变换矩阵求解出每个矢量的作用时间。 l 一12kik+足2(3-19) 矿。2 = k 3 k + k 4 吃 l v3 = k 5 巧+ c & 根据前一节的描述，可以求出 、t 2 和岛和t 0 、t 。、f ：的相关矩阵： 眭h 基i 誊巍e 十。， - 2 0 ) 这样通过以下步骤可以实现n 电平逆变器的分区和作用时间计算： 1 求解出多电平的分区判定依据( 只需事先求解一次，不占用计算机的 次，不占用计算机的时间) ； 3 实时求解出两点平的作用时间“、t l 、l ：( 每个大区只需要求解一次， 整个采样周期只需要求解六次，不论是对于n 电平逆变器) ； 4 根据第l 条中描述的判据逐一判定参考矢量坐落的区域： 5 根据第2 条中求出的线性关系计算三个矢量的作用时间； 为了验证本文所提出的算法，在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了任意电平逆变器 空间控制策略的仿真模型。 仿真模型需要设置如下参数：n 为电平数，m