三电平逆变器空间电压矢量控制算法仿真研究

1、 图三电平逆变器空间电压矢量图引言近年来，在高压、大功率变换电路中，一种新型的变换器箝位二极管式电压型三电平逆变器，由于其相对于传统两电平电压型逆变器表现出明显的优势，引起了越来越多的关注。电压型逆变器输出性能主要取决于调制算法，技术以其易于数字实现，电压利用率高等优点，得到了广泛应用。但是，三电平逆变器的缺点是控制策略较复杂和出现中点电压不平衡问题，。为此，本文基于传统二电平逆变器空间电压矢量控制原理，提出一种以平衡三电平逆变器中点电压为出发点的控制思想，即将所有扇区都划归第一扇区的空间电压矢量控制思想，简化了控制算法，从根本上解决了三电平逆变器中点电压不平衡的问题。三电平电压空间矢量原理图

2、给出了三电平逆变器的电路图。三电平逆变器每桥臂有个开关器件，引入开关函数，则其应是三态开关变量（分别定义为，），对应的输出相电压为，（为直流回路电压）。故三相三电平逆变器合成电压矢量数为种。其中有效电压矢量有种。图示出三电平逆变器空间电压矢量图。电压矢量可分为大矢量，中矢量，小矢量和零矢量，其中，和为零矢量状态；还有个模长为的小矢量；个模长为! 的中矢量，以及个模长为的大矢量，它们把正六边形等分为个大三角形区，而每个大三角形区域又被分为个小三角形区。结合空间电压矢量图可得三电平逆变器三相电压合成机理：任意时刻的三相电压，可由个相邻的空间电压矢量合成，当电压矢量沿着逆时针或顺时针方向旋转时，空三

3、电平逆变器空间电压矢量控制算法仿真研究张卫丰，余岳辉，刘璐（华中科技大学，湖北武汉）摘要：分析了三电平空间电压矢量调制基本原理，提出了一种首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的空间矢量调制（，）算法，给出了小三角形区域判断规则、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量的作用顺序和（，）信号的产生方法，探讨了影响三电平逆变器中点电压平衡的主要因素，并推导了各合成电压矢量的作用时间。用归一法将其他扇区全部划归一扇区计算。仿真实验结果证实了本文提出的空间电压矢量调制算法的有效性。关键词：逆变器；空间矢量；脉宽调制三电平；中点电压平衡中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（），：；定稿日期：作者

4、简介：张卫丰（），男，湖北丹江口人，博士研究生，研究方向为功率系统集成技术。图三电平逆变器电路图第卷第期年月电力电子技术，第卷第期年月 电力电子技术，正小矢量负小矢量中矢量规则规则规则间电压矢量由一个有效状态转移到另一个有效状态，从而产生连续的三相电压。三电平电压空间矢量算法判断参考矢量所处的扇区和小区如图所示，的首要任务是判断位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后就能依此确定出相应的输出电压矢量。依据的幅角和如下条规则，即可判断出该矢量位于哪个小三角形（一扇区）：规则：（! ）（）规则：（! ）（）规则：! （）式中，在轴和轴的分量通过简单的算术运算，可立即判断出个规则的真伪，根据表确定

5、出所在的位置。确定各合成电压矢量的作用顺序判断出矢量所在的位置后，可以根据表得到合成的输出电压矢量，在每个控制周期中，根据表选定的个矢量依次对称发出输出矢量。由表可知，用于合成的首发矢量都是正小矢量，这样可以有效地避免扇区切换过程中发生矢量突变，同时也避免了在每个控制周期中因加入固定作用时间的零输出矢量而带来的直流电压利用率低的问题。同理，首发小矢量都是负小矢量也同样可行。表区域中各小三角形相应的输出电压矢量状态确定各合成电压矢量的作用时间以图的一扇区为例来计算空间电压矢量的作用时间。假设落在三角形中，根据邻近三矢量合成原则，由矢量，和合成，由空间电压矢量合成的伏秒平衡原则，则有：（）（）式中

6、，矢量，作用时间开关周期矢量，和在，坐标下表达式代入式（），并考虑到（）及式（），可得：! %! $%&(*+（）式中调制深度，! ，参考电压矢量的幅值和幅角同理，可求出位于一扇区的，各小区时的三矢量作用时间。三相信号的产生根据电压矢量作用时间和表的矢量作用顺序，图给出了区的三相输出时序图。定义：，（）式中中点电压调整系数将周期为和幅值为的三角波与，相比较，即可得到图所示三相信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。关于中点电压平衡控制的讨论中点电压平衡问题是影响三电平逆变器在高压、大功率领域应用的重要因素。定义输出点的电流为正（见图），表给出了中点电流与电压矢量的关系。表中点电流与电压

7、矢量状态关系表中，中点电流的正负由表可知，中、小矢量都将影响三电平逆变器中点电压平衡，由于正负小矢量产生的方向恰好相反，且它们是成对出现的，因而相互抵消，不影响中点电压平衡，小矢量正是以这种特性将在中点电压平衡控制中得到应用。而对于中矢量，其中有一相直接接入了中点，因而使得中线有电流，这是电压不平衡的根本原因。在本文提出的算法表判断规则与扇区中各小三角形的关系图区输出电压矢量时序图中，由于首发小矢量均为正小矢量，通过检测该矢量作用时连接到中点的某相电流方向，可知该小矢量对直流电容电压和的影响方向，并根据和的不平衡方向，通过调整中点电压调整系数来调整正负小矢量相对作用时间，从而达到平衡中点电压的

8、目的。其余扇区的归一法计算以第一大扇区为例进行分析，其余个大扇区的分析只要将的辐角分别用°，°，°，°，°来代替，即可用归一化算法转化为第一扇区进行分析，只是具体的扇区矢量作用顺序要做调整。表给出了，区域中各小区相应的输出电压矢量。对比表与表可知，扇区中各小区相对应的输出电压矢量作用顺序是相同的，而，扇区各小区相对应的输出电压矢量顺序却不同，故划归第一扇区时，要相应调整所计算的，。例如对 扇区小区， 其调整后的作用时间应为，。分析可知，区域各小区相对应电压矢量作用顺序和区域是相同的，和区域一样，在划归区时要作相应调整。仿真实验依据上述三相三电平

9、空间电压矢量算法理论，在环境下建立了其模型，进行了仿真实验。仿真参数为：，输出频率，调制度，开关周期。图示出输出仿真波形，图示出同样仿真条件下的三相两电平逆变器的仿真波形。对比两图可见，三电平输出电压波形更接近正弦波。图示出逆变器输出谐波仿真频谱图，由图可见，在相同开关频率条件下，采用三电平逆变器可大大降低谐波污染。图仿真频谱结束语以第一扇区为例，详细论述了三电平逆变器空间电压矢量调制工作原理和实现方法，提出了一种首发矢量全部采用正小矢量或负小矢量的算法，用归一法，把其他扇区全部划归一扇区计算。通过检测负载电流方向和直流电容的电压，合理分配正负小矢量对的作用时间，可以实现电容电压的平衡。仿真研究结果证实了本文提出的空间矢量调制算法的有效性。参考文献，：，（）：，（）：表，区域中相应的输出电压矢量状态图仿真实验波形! "!