基于svpwm的三电平逆变器控制策略研究

三电平逆变器SVPWM控制策略的研究一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，逆变器作为高效、可靠的电力转换装置，在新能源发电、电机驱动、无功补偿等领域得到了广泛应用。

其中，三电平逆变器因其输出电压波形质量好、开关损耗小、动态响应快等优点，受到了研究者的广泛关注。

空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）作为一种先进的调制策略，通过合理分配三相桥臂的开关状态，可以实现对输出电压波形的精确控制，进一步提高逆变器的性能。

本文旨在深入研究三电平逆变器的SVPWM控制策略，通过理论分析和实验验证，探索其在实际应用中的优化方法和潜在问题。

文章首先介绍了三电平逆变器的基本结构和工作原理，为后续的控制策略分析奠定基础。

随后，详细阐述了SVPWM的基本原理和实现方法，包括空间矢量的定义、合成和分配等关键步骤。

在此基础上，本文重点分析了三电平逆变器SVPWM控制策略的优化方法，包括减小开关损耗、提高直流电压利用率、改善输出电压波形质量等方面。

本文还通过实验验证了三电平逆变器SVPWM控制策略的有效性。

通过搭建实验平台，测试了不同控制策略下的逆变器性能，包括输出电压波形、开关损耗、动态响应等指标。

实验结果表明，采用SVPWM控制策略的三电平逆变器在各方面性能上均表现出明显的优势，验证了本文研究的有效性和实用性。

本文总结了三电平逆变器SVPWM控制策略的研究现状和未来发展趋势，为相关领域的进一步研究提供了有益的参考。

二、三电平逆变器的基本原理三电平逆变器是一种在电力电子领域中广泛应用的电能转换装置，其基本原理在于利用开关管的导通与关断，实现直流电源到交流电源的高效转换。

与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器在输出电压波形上拥有更高的精度和更低的谐波含量，因此在大规模电力系统和电机驱动等领域具有显著优势。

三电平逆变器的基本结构通常包括三个直流电源、六个开关管以及相应的控制电路。

异步电动机基于SVPWM的简化三电平矢量控制系统的研究1 绪论三电平逆变器是应用于高压大容量传输领域的电源转换器,起源于1977年德国学者霍尔兹提出的三电平逆变器主电路及其程序。

1980年,纳夫莱和日本长冈大学的一些人在此基础上继续研究发展,用一对二极管取代了辅助夹开关,并且连接到上部和下部引脚主要开关的中点的按顺序分别补足中点箝位。

图1显示了该二极管中性点固定三电平逆变器的拓扑结构。

图1 二极管中性点固定三电平逆变器拓扑图2 简化三电平SVPWM算法三电平逆变器拓扑结构的每一相需要四个功率开关,两个钳位二极管,和四个持续流二极管。

不同的开关组合能产生不同的电压空间矢量规范，三电平逆变器可以产生27种不同的电压空间矢量规范, 每个适量对应着三电平逆变器不同的开关状态。

三电平电压空间矢量图如图2所示。

图2 三电平电压空间矢量三电平电压空间矢量比两电平电压空间矢量复杂很多。

过去，多数的三电平电压空间矢量控制方式是将一个象限划分为四个小三角形。

然后在每个小三角形里解决每个有效矢量动作时间。

解决所有的24个小三角形计算量是巨大的，为了确定的模式向量合成它需要解决在每个象限每个三角形的开关角。

所以与三角载波比较时我们可以计算比较。

这个计算方法是复杂的,很难适用于拓扑的三级或n能级(n≥3)逆变器。

三电平空间矢量可以被认为是由传统二级空间向量构成的6个小六角形。

三电平空间矢量图的每一个六角形的中心是小六边形内部的顶点。

三级空间矢量的分析如图3所示图3 三电平空间矢量分析三级电压空间矢量平面原始点是V0，当我们将三电平电压空间矢量平面减为两相电压空间矢量平面时，期望合成输出电压空间矢量的平面转化为包含参考电压空间矢量的小六角形。

原始点的6小六角是V1、V2、V3、V4、V5和V6.修正后我们可以考虑新的参考电压空间向量作为所需的输出电压空间矢量，然后按有效的顺序变换每个有效矢量和零矢量的坐标，然后整个研究平面完全转换为两级电压空间矢量平面。

华中科技大学硕士学位论文三电平逆变器SVPWM控制策略的研究姓名：刘亚军申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：程善美20080604摘要三电平逆变器输出由于具有更高的电能质量、更低的谐波含量，更好的电磁兼容性以及更低的开关损耗等优点，在中高压大容量交流调速领域得到了广泛的应用。

但是，三电平逆变器也存在不少关键问题，如三电平算法的简化问题，过调制区中点电压控制问题，以及在高压运行时系统的稳定性问题。

鉴于以上存在的问题，本论文深入地研究了三电平逆变器的结构，原理，控制策略，电容中点电压的控制，死区补偿，过调制处理以及SVPWM算法的实现。

论文在论叙二极管箝位三电平逆变器的结构和工作原理的基础上，分析了三电平逆变器的SVPWM调制策略，提出了一种实用的易于数字化实现的三电平SVPWM 算法。

在该算法的基础上通过修改小矢量的作用时间给出了基于滞环控制和PI控制的电容中点电压控制策略，并得到了很好的效果。

同时，论文对三电平逆变器的死区补偿和过调制处理进行了深入的研究，并且提出了一些新的方法来解决在过调制情况下的中点电压平衡问题，研究了三电平逆变器的死区实现方案和补偿策略，仿真实验证实了所提出的策略达到了预定的效果。

为了验证所提出的三电平SVPWM 算法，本文在MATLAB下建立了基于三电平逆变器的感应电动机V/F控制系统和矢量控制系统，仿真结果验证了所提出的三电平空间矢量PWM算法是可行有效的。

论文对三电平逆变器的SVPWM算法的实现进行了研究，基于DSP和CPLD提出了两种实现方法。

一种是采用数字信号处理器TMS320LF2407A中的两个事件管理器巧妙实现了三电平SVPWM算法；另一种是利用TMS320LF2407A和EPM240T100C5组成组合逻辑来实现。

实验结果进一步证实了所做的研究工作和所提出的算法是实际可行的。

关键词：三电平逆变器SVPWM算法中点电压控制死区补偿过调制AbstractBecause of the superiority such as higher power quality, lower harmonic components, better electromagnetic compatibility, and lower switching losses in its output, three-level inverter is applied widely in high-voltage and high-power applications. However, there are many key problems in the three-level inverter, such as simplifying the algorithm of three-level, the neutral point fluctuation in overmodulation region, and the stability issues of the system in the high-voltage performance. In light of the above existing problems, the thesis thoroughly investigates the structure, principle, control strategies, neutral point balancing, dead-time compensation, overmodulation and the realization of SVPWM algorithm in the diode-clamped three-level inverter.On the basis of describing the structure and principle of diode-clamped three-level inverter, the thesis analyzes the SVPWM modulation strategies of three-level inverter, and proposes the SVPWM algorithm which is practical and easily digital realization. It proposes a neutral point control strategy based on hysteresis control and PI control through modifying the working time of small vector on the basis of the algorithm, and achieves a good result. At the same time, the thesis completely investigates the dead-compensation and overmodulation in three-level inverter, and proposes a new scheme to solve the neutral point unbalancing for operating a three-level inverter in overmodulation region. It also investigates the schemes of dead-time setting and the dead-compensation. The simulation results confirm that the proposed strategy achieve the intended results. In order to verify the proposed three-level SVPWM algorithm, this thesis based on MATLAB software establishes induction motor V/F control system and vector control system which is based on three-level inverter, and the simulation results show the proposed three-level space vector PWM algorithm is feasible and effective.In this thesis, the realization of the SVPWM algorithm for three-level inverter has been studied, and two methods based on the DSP and CPLD are proposed. One method achieves skillfully the three-level SVPWM algorithm by making use of two events manager of the digital signal processor TMS320LF2407A, another is the use ofTMS320LF2407A and EPM240T100C5 logic combination to realize the algorithm. The experimental results verify further that the research work and the algorithm proposed is practical.Keywords: Three-level inverter; SVPWM algorithm; neutral point voltage control;dead-time compensation; overmodulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

基于优化ＳＶＰＷＭ控制算法的三相电压型逆变器①李瑾１②　李可迪２（１：南昌工程学院电气工程学院　江西南昌３３００９９；２：南开大学数学科学学院　天津３０００７１）摘　要　针对传统的基于αβ坐标系的ＳＶＰＷＭ控制算法需要进行坐标变换，算法繁琐、计算量大的缺点，本文提出了一种优化的基于三相静止ａｂｃ坐标系的ＳＶＰＷＭ控制算法，通过直接比较矢量沿ａｂｃ坐标轴的各个分量的大小就可判断出矢量所在扇区及各个矢量的作用时间，大大简化了ＳＶＰＷＭ控制算法的运算过程。

将其用在三相电压型ＰＷＭ逆变器中，对该ＳＶＰＷＭ逆变器进行Ｍａｔｌａｂ仿真实验的结果证明了此新型ＳＶＰＷＭ控制算法的正确性和可行性。

关键词　电压型逆变器　空间矢量脉宽调制　仿真中图法分类号　ＴＭ４６１ 文献标识码　ＡＤｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－１２６９ ２０２３ ０２ ００２Ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅＶｏｌｔａｇｅＳｏｕｒｃｅＩｎｖｅｒｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＯｐｔｉｍｉｚｅｄＳＶＰＷＭＣｏｎｔｒｏｌＡｌｇｏｒｉｔｈｍＬｉＪｉｎ１　ＬｉＫｅｄｉ２（１：ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｃｈａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００９９；２：ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＮａｎＫａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７１）ＡＢＳＴＲＡＣＴ　ＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｌａｒｇｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｍｏｕｎｔｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎαβｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅｓｔａｔｉｏｎａｒｙａｂｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｂｙｄｉｒｅｃｔｌｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｓｉｚｅｏｆｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｖｅｃｔｏｒａｌｏｎｇｔｈｅａｂｃｃｏｏｒｄｉｎａｔｅａｘｉｓ，ｗｅｃａｎｊｕｄｇｅｔｈｅｓｅｃｔｏｒａｎｄａｃｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆｅａｃｈｖｅｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅＰＷＭｉｎｖｅｒｔｅｒｕｓｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｏｖｅｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｅｗＳＶＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ　Ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅｉｎｖｅｒｔｅｒ　Ｓｐａｃｅｖｅｃｔｏｒｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１　前言变频调速已成为目前极为重要的节能措施。

411/2008收稿日期：2007-10-05作者简介：胡慧慧(1980-)，女，硕士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动技术；马文忠(1968-)，男，副教授，博士，主要研究方向为电力电子变换与电机驱动技术。

基于SVPWM 的三电平逆变器仿真研究胡慧慧，马文忠，董磊（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东东营257061）摘 要：分析三电平逆变器的结构及工作原理，研究将电压空间矢量控制技术（SVPWM ）应用在三电平逆变器上的方法，并通过仿真，验证算法的可行性。

关键词：三电平；矢量控制；逆变器；仿真中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：1671-8410(2008)01-0041-04Simulation and Research of Three-level Inverter with SVPWMHU Hui-hui, MA Wen-zhong, DONG Lei(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong 257061, China)Abstract: This paper analyzes the structure and operation principle of three-level inverter and researches space vector PWM(SVPWM)control technique. The reliability of the system was estimated by simulation of the mathematical model.Key words:three-level; space vector control; inverter; simulation0引言与传统的逆变器相比，目前以二极管中点箝位型结构为代表的三电平逆变器更适合用于控制高电压、大功率电机，且具备输出电压波形谐波含量低，跳变（d u /d t ）引起的电磁干扰小等优点。

基于SVPWM的三电平逆变器的研究作者：王天正李鲁祥刘千赵立正来源：《科学导报·科学工程与电力》2019年第09期【摘要】三电平逆变器与两电平逆变器相比有很多优点。

每个开关管受到直流侧母线电压一半的电压，更适合于高电压场合的应用；每次开关时电压的变化量是两电平逆变器的一半，效率在理论上可以提高一倍；死区时间减少到两电平逆变器的一半，输出波形的谐波也会减少。

本文介绍了在SVPWM工作方式下，二极管钳位型三电平逆变器的开关管的导通次序和导通时间的计算，以及中点电位平衡的控制策略。

【关键词】二极管钳位型三电平逆变器；SVPWM控制算法；中点电位平衡控制引言近年来，多电平逆变器在电力电子领域受到越来越多的关注，多电平逆变器就是实现电压阶梯输出波形，可以减少谐波含量，提高波形的输出质量。

在多电平逆变器的控制算法的研究上，现在通用的有正弦波脉冲调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）和空间矢量脉冲宽度调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）兩种调制方法。

本文主要介绍了SVPWM控制策略，虽然其计算复杂，但它对电压的利用率高，开关损耗小，更加适用于大功率的场合。

1二极管钳位型三电平逆变器二极管钳位型逆变器由两个完全相同的电容和三个桥臂组成。

为保证在流入相同的电流的时，中点电位波动更小，电容应取的大一些，本实验中取10000uf。

拓扑结构如图表1所示。

当Sa1和Sa2导通，Sa3和Sa4关断时，输出端相当于连接在了P点，输出为正电平；当Sa2和Sa3导通，Sa1和Sa4关断时，输出端相当于直接连接在了O点，输出为零电平；当Sa3和Sa4导通，Sa1和Sa2关断时，输出端直接连接在了N点，输出为负电平。

通过不同的开关管组合导通方式，在每一相上形成不同的输出电压。

开关状态与输出电平的对应状态如表格1所示。

2 三相三电平逆变的SVPWM控制策略三电平空间矢量算法将平面分成了24个区域，当旋转矢量落在不同的区域时，由不同的基本矢量合成。

三电平逆变器SVPWM控制算法研究摘要：论述了二极管箝位式三电平逆变器的基本结构，分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制三电平逆变器的算法，给出了确定参考矢量的三个规则，并推导出工作矢量的作用时间和输出顺序，从而使三电平逆变器SVPWM控制算法的可行性得到了验证。

关键词：三电平逆变器；SVPWM；算法目前，三电平逆变器是实现中高压、大容量电机调速的主要方式之一，与传统的两电平逆变器相比，其优点是能承受高电压、电压电流上升率低等。

但是，由于其逆变状态比传统两电平多，加上前端三线整流所带来的中点电压波动，其控制算法的复杂程度也随之增大。

电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)本质上依赖于开关矢量的选择和开关矢量作用时间的计算，通过优化开关矢量，降低开关频率，从而减少了交流侧电流的总谐波畸变率，提高了母线电压利用率。

1 三电平逆变器主电路结构三电平逆变器主电路结构主要是二极管中点箝位(NPC)式，如图1所示。

以电源中点为参考，每一相可以输出1、0和-1三种电平。

以U相为例，其输出规律为：当S1、S2开通。

S3、S4关断时，输出电压为1；当S2、S3开通，S1、S4关断时，输出电压为0；当S1、S2关断，S3、S4开通时，输出电压为-1。

对三相三电平逆变器而言，每相都有3种(1、0、-1)电平输出，所以三相共有33=27个电平状态输出，对应着空间矢量的27个矢量状态，如图2所示。

2 三电平SVPWM算法的实现2．1 参考电压矢量位置和输出电压矢量的确定SVPWM算法的首要任务就是判断参考电压矢量位于哪个区域及该区域中的哪个小三角形，然后依此确定相应的输出电压矢量。

为了防止输出电压产生很高的dv／dt，每次输出状态切换时，开关状态只切换一个电平。

第I象限正三角形中矢量分区如图3所示，其它象限矢量的分析可参照第I象限。

先根据参考矢量的角度确定出该矢量位于图2所示的6个正三角形区域中的哪一个，然后可以依据如下3条规则进一步判断位于哪个小三角形。

三电平逆变器的SVPWM控制与MATLAB仿真研究三电平逆变器是一种常用的电力电子设备，具有输出波形质量高、效率高、功率密度大等优点。

SVPWM是一种常用于三电平逆变器的控制算法，可以实现对输出电压的精确调节。

本文将对SVPWM控制算法进行研究，并使用MATLAB进行仿真验证。

首先，介绍三电平逆变器的基本原理。

三电平逆变器由两个半桥逆变器和一个中间电压平衡电路组成。

其工作原理是通过控制两个半桥逆变器的开关状态，将输入直流电压转换为输出交流电压。

为了实现高质量的输出波形，需要对逆变器的开关状态进行精确控制。

SVPWM是一种常用的控制算法，通过控制逆变器的开关状态来实现对输出电压的精确控制。

SVPWM控制算法的基本原理是将三相交流信号转换为空间电压矢量，然后通过控制逆变器的开关状态来实现对输出电压的调节。

该算法采用三角波进行调制，根据三角波和参考信号之间的相位差确定逆变器的开关状态。

具体来说，根据参考信号和三角波的相位关系，可以将逆变器的开关状态分为六个不同的区间。

在每个区间中，逆变器的开关状态发生变化，从而实现对输出电压的调节。

为了验证SVPWM控制算法的性能，我们使用MATLAB进行仿真。

首先，我们需要建立逆变器的数学模型。

逆变器的数学模型可以通过电路方程和开关动态方程来建立。

然后，我们可以编写MATLAB代码来实现SVPWM控制算法。

在代码中，需要定义参考信号和三角波的频率和幅值，并根据相位差确定逆变器的开关状态。

最后，我们可以通过MATLAB的仿真工具来模拟逆变器的工作过程，并观察输出电压的波形和频谱。

通过对SVPWM控制算法的研究和MATLAB的仿真验证，可以得出以下结论。

首先，SVPWM控制算法可以实现对三电平逆变器输出电压的精确控制。

其次，通过调整参考信号和三角波的频率和幅值，可以实现不同频率和幅值的输出电压。

最后，MATLAB的仿真工具可以有效地验证SVPWM控制算法的性能，并对三电平逆变器的工作过程进行可视化分析。

三电平三相桥式逆变器的svpwm控制方式应用概述说明1. 引言1.1 概述本文旨在介绍三电平三相桥式逆变器的SVPWM（空间矢量脉宽调制）控制方式的应用。

逆变器作为电力电子变换技术中的重要组成部分，广泛应用于交流电力传输和各种工业应用中，有着重要的实际意义。

而SVPWM控制方式作为一种高效的逆变器控制方法，具有优秀的性能和效率，在现代电力系统中得到了广泛关注和应用。

1.2 文章结构本文共分为五个部分，首先是引言部分，对文章进行概述和介绍；第二部分是正文，介绍逆变器及其基本原理；第三部分是专门介绍SVPWM控制方式的应用，包括其基本原理以及在三电平三相桥式逆变器中的具体实现方法和优点；第四部分将着重讨论三电平三相桥式逆变器的特点，并与其他类型逆变器进行比较；最后一部分是结论，对前文所述内容进行总结归纳，并展望未来该领域的发展方向。

1.3 目的本文旨在深入探讨SVPWM控制方式在三电平三相桥式逆变器中的应用，并分析该控制方式的优点和适用性。

通过全面介绍和剖析，读者可以对SVPWM控制方式有一个清晰的认识，并了解其在三电平三相桥式逆变器中实际应用的效果与意义。

同时，本文还致力于为读者提供一个全面、系统且易于理解的资料，以便进一步研究和应用相关领域的技术。

(以上内容均为草稿，仅供参考)2. 正文电力电子技术在现代电力供应系统中发挥着重要的作用。

逆变器是一种将直流电转换为交流电的设备，广泛应用于工业控制、风能和太阳能发电系统等领域。

而三电平三相桥式逆变器是逆变器中一种常见且性能优越的拓扑结构。

三电平三相桥式逆变器采用了多级拓扑结构，通过控制开关管的导通与截止，可以实现对输出交流波形的精确控制。

在传统的两电平逆变器中，只能产生两个电平的交流输出；而在三电平逆变器中，通过合理选择开关管的组合方式，可以产生三个不同高度的输出电平。

这使得三相桥式逆变器具备更好的输出波形质量，并提供了更宽广阶梯数模拟交流信号。

而在控制方法方面，空间矢量脉宽调制（SVPWM）被广泛应用于三电平三相桥式逆变器中。

第41卷　第3期吉林大学学报(信息科学版)Vol.41　No.32023年5月Journal of Jilin University (Information Science Edition)May 2023文章编号:1671⁃5896(2023)03⁃0417⁃10基于优化的VSVPWM 三电平NPC 逆变器控制策略收稿日期:2022⁃07⁃18基金项目:国家自然科学基金资助项目(51474069)作者简介:付光杰(1962 ),女,吉林通化人,东北石油大学教授,博士生导师,主要从事电力电子技术应用㊁电机调速控制技术和电力系统节能技术等研究,(Tel)86⁃139****0179(E⁃mail)fgjmhw@㊂付光杰,后乐云(东北石油大学电气信息工程学院,黑龙江大庆163318)摘要:针对中点箝位(NPC:Neutral⁃Point⁃Clamped)型三电平逆变器直流侧上下两个电容电压不一致,以及传统的空间矢量脉宽调制(SVPWM:Spatial Vector Pulse Width Modulation)虽然可在一定的调制度范围内解决两个电容电压不一致,但在较大的调制比下中点电位无法维持平衡的问题,在传统SVPWM 和虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM:Virtual Space Vector Pulse Width Modulation)的基础上优化控制方法㊂该方法依据电流的流向对不同的正㊁负小矢量采用不同大小的平衡因子,同时根据中点电位差值,引入电压调差系数,并在此基础上与无差拍控制相结合㊂该闭环控制策略利用中点电位差值与逆变器三相电流输出值作为反馈量调整输出波形,抑制中点电位㊂仿真结果表明,该方法在三电平逆变器调制度较高时仍然可以维持直流侧中点电位的平衡,证明了控制策略的正确性和有效性㊂关键词:三电平逆变器;中点电位;无差拍控制;调差系数和平衡因子;虚拟空间电压矢量脉宽调制中图分类号:TP301.6;TM464文献标志码:AControl Strategy of Three⁃Level NPCs Inverter Based on Optimized VSVPWMFU Guangjie,HOU Leyun(School of Electrical and Information Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)Abstract :Aiming at the problem of inconsistencies between the voltages of the two capacitors on the DC(Direct Current)side of the midpoint clamping (Neutral⁃Point⁃Clamped)three⁃level inverter and the traditional SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)can solve the problem of inconsistency of the two capacitor voltages within a certain modulation system,but the midpoint potential cannot be balanced under a large modulation ratio,the control method is optimized on the basis of the traditional SVPWM and VSVPWM (Virtual Space Vector Pulse Width Modulation).The method is based on the flow direction of current,different positive and negative small vectors using different size of balance factor,is in accordance with the midpoint potential difference value,and introduces voltage adjustment coefficient.On this basis,it is combined with the beat⁃free control.This closed⁃loop control strategy adjusts the output waveform by using the midpoint potential difference and the inverter three⁃phase current output value as the feedback to suppress the midpoint potential.Simulationresults show that the proposed method can still maintain the balance of the midpoint potential on the DC side when the three⁃level inverter modulation system is high,which proves the correctness and effectiveness of the control strategy.Key words :three⁃level inverter;midpoint potential;beat free control;adjustment coefficient and balance factor;virtual space vector pulse width modulation(VSVPWM)0　引　言两电平逆变器性能存在器件电压应力大㊁电压变化率大㊁共模干扰比较大㊁谐波含量较高等缺点㊂NPC(Neutral⁃Point⁃Clamped)三电平逆变器相比于前者电压变化率较小,共模干扰也比较小,输出的电压波形与标准的正弦波几乎一致,且波形谐波含量低,因此目前在中高压的场合下和功率较大的环境下普遍采用NPC 三电平逆变器[1⁃3]㊂但NPC 三电平逆变器在实际运行中会因为电路存在非理想因素出现一系列问题,其中中点电压波动和共模电压干扰的问题尤为突出,易造成器件的损坏,影响整个系统的工作㊂针对中点电压波动问题,国外学者基于SVPWM(Spatial Vector Pulse Width Modulation)的方法优化了控制策略,提出了多种改进型SVPWM [4⁃6]㊂付光杰等[7],王春民等[8]和石文启[9]的研究表明,电机控制系统的可靠性与合理正确设计脉宽调制控制系统相关,优化的SVPWM 应用在电机控制方面具有一定的优越性㊂李萍等[10]和张华赢等[11]采用调整基本矢量中的正负小矢量作用时间的策略,仿真结果表明该方法可有效抑制中点电压的波动,但在调制度较高的场合下,不可能在同一位置同时出现正负小矢量作用的情况,影响了该策略对于中点电位不平衡的抑制㊂文献[12⁃18]研究表明,由于电路存在非理想因素,影响了三电平逆变器中点电位的平衡,并研究VSVPWM (Virtual Space Vector Pulse Width Modulation)方法,在全调制度范围内该方法对电容电压不平衡的问题也是有效的㊂笔者提出了一种基于优化的VSVPWM 的中点电位控制策略,该方法根据检测直流侧的中点电流大小和方向,引入平衡因子和电压调差系数,对不同的小矢量设置不同的平衡因子,以增加基本矢量中的正或负小矢量控制中点电位的能力㊂预测控制在电力电子领域具有广泛应用,无差拍控制正是其中的一种[19⁃20]㊂笔者根据检测到的中点电位的偏差,结合无差拍控制与优化空间矢量脉宽调制,提出一种混合控制方法,最后通过仿真对上述混合控制方法进行分析㊂1　NPC 三电平逆变器主电路与传统VSVPWM1.1　NPC 三电平逆变器主电路三电平逆变器主电路的拓扑结构如图1所示㊂图1　三电平NPC 逆变器主拓扑图Fig.1　Main topology diagram of a three⁃level NPC inverter 图2　空间电压矢量图Fig.2　Space voltage vector diagram 图1中a㊁b㊁c 是三相桥臂,其共有12个功率开关管,每相4个㊂以a 相桥臂为例,S a1㊁S a2打开S a3㊁S a4关断,电压为V dc /2,该状态定义为P㊂S a2㊁S a3打开S a1㊁S a4关断,电压为0,该状态定义为O㊂S a3㊁S a4打开S a1㊁S a2关断,电压为-V dc /2,该状态定义为N㊂NPC 三电平逆变器有a㊁b㊁c 3相,每相有3种开关状态对应输出3种电平状态,分别为P㊁O 和N㊂则a㊁b㊁c 3相共有27种开关状态,27个基本空间电压矢量对应了这27种开关状态㊂图2是NPC 三电平逆变器的空间电压矢量图,在αβ坐标系下,矢量图分为814吉林大学学报(信息科学版)第41卷6个大扇区,即大扇区1~6㊂在图2中,将27个基本空间电压矢量依据其幅值的大小,可分为大矢量㊁零矢量㊁中矢量和小矢量4类,其中小矢量又可分为两种,分别为正小矢量和负小矢量㊂以负小矢量POO 进行分析,a 相流过的电流不经过中点,b 相和c 相流过中点的电流分别为i b 和i c ,因此负小矢量POO 作用下流过中点的电流就是b 相和c 相的电流之和即-i a ㊂同理,可得到其余26个基本电压矢量与流过中点电流的对应关系,基本空间矢量对应的中点电流如表1所示㊂表1　基本空间矢量对应的中点电流Tab.1　Midpoint current corresponding to basic space vector零矢量负小矢量正小矢量中矢量大矢量PPP(0)POO(-i a )ONN(i a )PON(i b )PNN(0)OOO(0)OON(-i c )PPO(i c )OPN(i a )PPN(0)NNN(0)OPO(-i b )NON(i b )NPO(i c )NPN(0)NOO(-i a )OPP(i a )NOP(i b )NPP(0)OOP(-i c )NNO(i c )ONP(i a )NNP(0)ONO(-i b )POP(i b )PNO(i c )PNP(0) 由表1可看出,对中点电位无影响的是零矢量和大矢量,其作用时不会有电流流过中点;对中点电位有影响的是小矢量和中矢量,其作用时会有电流流过中点且大小不为零㊂同一对的负小矢量和正小矢量作用形成的电流大小相等,方向相反,不同对的负小矢量和正小矢量作用形成的电流方向相反㊂1.2　传统虚拟空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制采用7段式分配,对中矢量采用两个小矢量和一个中矢量的组合,同样实现了流过中点的电流为零的目标㊂但在调制度较大时,不能完全保证流过中点的电流为零㊂空间矢量脉宽调制图3　传统NTV 2法的空间矢量图Fig.3　Spatial vector diagram of the traditional NTV 2method 可与其他控制组合构成复合控制,有效控制逆变器的中点电位㊂空间矢量脉宽调制基本原理与虚拟空间矢量脉宽调制原理及各个部分计算基本相同,因此不做过多阐述㊂传统的虚拟空间矢量脉宽调制的原理是重新组合基本矢量中的正负小矢量㊁中矢量㊁零矢量和大矢量,4种矢量按要求组合成一个新矢量,在一个开关周期内在该重组矢量的作用下流过中点的电流为零,从而抑制中点电位的波动㊂改进型虚拟空间矢量(NTV 2:Nearest Three Virtual Vectors)的小扇区划分如图3所示㊂传统的VSVPWM 调制策略中,虚拟矢量的合成为V L 1=V PNN ,V L 2=V PPN ,V M =13(V ONN +V PON +V PPO ),V S 1=12(V ONN +V POO ),V S 2=12(V OON +V PPO ),V Z =V OOO ìîíïïïïïïïïïïïï㊂(1) 在传统虚拟矢量合成方法中,大矢量和小矢量仍为原矢量,而将原来各自边上的两个小矢量合成为一个矢量,这样因流过两个小矢量的电流大小相等而相位相反,流过中点的电流为零㊂该方法实现了流过中点的电流为零的目标,但在实际的电路系统中,三相电流完全对称的情况几乎不存在㊂所以,在一个控制周期内,会有中点电位差偏大的现象存在㊂914第3期付光杰,等:基于优化的VSVPWM 三电平NPC 逆变器控制策略2　优化VSVPWM 与无差拍控制优化的VSVPWM 与无差拍控制形成混合控制策略,可对三电平逆变器中点电位精确控制㊂该闭环控制策略通过中点电位差值与逆变器三相电流输出值作为反馈量调整输出波形,抑制中点电位㊂2.1　无差拍控制预测控制在电力电子领域中有着广泛的应用,无差拍控制正是其中一种,无差拍控制可解决电路控制系统延时问题㊂加入无差拍控制,可预测控制量的变化,减小延时导致的误差,针对本文的电路系统,其输出端的公式如下:v o =W 2LCRi o +Ld i o d t +v N ,(2)其中v o 为输出相电压,v N 为N 点电位,W 为角速度,i o 为电感电流,R 为负载为电阻值,L 为负载为电感值㊂式(2)离散化后,可得:v o (k )=W 2LCRi o (k )+L d i o (k )d t +v N (k ),(3)d i o (k )d t ≈i o (k +1)-i o (k )T s ,(4)其中T s 为采样周期,v ㊁i o ㊁v N 在k 时刻的采样值分别为v o (k )㊁i o (k )㊁v N (k ),i o (k +1)为i o 在k +1时刻的采样值㊂当采样频率较高时,可认为N 点电压不变,则有v N (k +1)≈v N (k )㊂(5) 所以最终有i o (k +1)=T s L [v o (k )-v N (k )]+1-W 2LCRT s æèçöø÷Li o (k ),(6)i o (k +2)=T s L [v o (k +1)-v N (k )]+1-W 2LCRT s æèçöø÷L i o (k +1)㊂(7)2.2　VSVPWM 策略的优化基于上述的传统虚拟空间矢量脉宽调制并不能使中点电流为零,所以对虚拟空间矢量进行重图4　优化的NTV 2法的空间矢量图Fig.4　Optimized NTV 2space vector graph 新构造,以第一大扇区为列,小扇区的划分如图4所示㊂为简化计算,采用g⁃h 坐标系㊂在此基础上引入平衡因子和调差系数,以达到VSVPWM 策略的优化㊂2.2.1　小扇区的划分基于中点电位不平衡时,电流的方向可能从中点流出,又可能从中点流入,为此仅分析给出q >0的情况,而q <0的情况完全相同㊂q 为调差系数㊂2.2.2　调差系数以第1扇区的矢量为例,中点电位平衡时,每个矢量的大小和方向都不会改变,但当中点电位不平衡时,负小矢量POO 变为(1+q )POO,正小矢量ONN 变为(1-q )ONN,因此中点电位不平衡仅影响小矢量大小,不影响其方向㊂中矢量PON 变为(PON-q NON),中点电位不平衡时矢量的大小和方向都会发生变化㊂零矢量和大矢量不受中点电位不平衡的影响㊂调差系数q =V c 1-V c 2V dc ,(8)其中V dc 为直流侧电压,V c 1和V c 2分别为上下电容电压㊂虚拟矢量的重构与合成为024吉林大学学报(信息科学版)第41卷V L 1=V PNN ,V L 2=V PPN ,V M =13(V ONN +V PON +V PPO ),V M 1=13(V PON +V OPN +V PNO ),V S 1=12(V ONN +V POO ),V S 2=12(V OON +V PPO ),V Z =V OOO ìîíïïïïïïïïïïïïïï㊂(9) 在调制度较低时,采用的虚拟中矢量为V M ,而在调制度较高时采用的虚拟中矢量为V M 1㊂2.2.3　平衡因子以第一大扇区第1小扇区为例,当参考矢量落在该区域时,引入平衡因子k ,与作用时间组合平衡中点电位的大小,具体如表2所示㊂表2　开关序列和作用时间优化后的虚拟空间矢量大扇区1被划分为8个小扇区,图4中的6条直线L 1⁃L 6的表达式为L 1:V g -V h =0,L 2:2V g +V h =2,L 3:V g +2V h =2,L 4:V g +V h =2,L 5:V g 1.5M 1-1+V h =M 11.5M 1-1,L 6:1.5(M 2-1)V g +V h =M 2ìîíïïïïïïïïïï,(10)其中M 1=1+kq ,M 2=1-kq ㊂如图4所示,当参考矢量落在第8小扇区时,根据伏秒平衡原理,在一个周期内,参考电压矢量可由3个最近的虚拟矢量在一定的时间内合成的原理进行分析,则有V ref T s =V L 1T L 1+V L 2T L 2+V Z T 0,T L 1+T L 2+T 0=T S {,(11)其中V L 1㊁V L 2㊁V Z 为虚拟矢量,T L 1㊁T L 2㊁T 0为虚拟矢量作用时间,两者一一对应,T s 为采样周期㊂所以电压矢量的作用时间为T 1=T s V g +0.5T s V h -T s ,T 2=0.5T s V g +T s V h -T s ,T 3=3T s -1.5T s V h -1.5T s V g ìîíïïïï㊂(12) 参考式(12)步骤,在第一大扇区中,可得参考矢量在8个小扇区的作用时间,如表3所示,发波顺序如表4所示㊂其余大扇区作用时间及发波顺序,可采用旋转变化得到,不做过多阐述㊂124第3期付光杰,等:基于优化的VSVPWM 三电平NPC 逆变器控制策略表3　大扇区1矢量作用时间Tab.3　Action time of vector in large sector 1小扇区T 1T 2T 31T s V g T s V h T s -T 1-T 22T s (V h -V g )/M 21.5T s V g T s -T 1-T 232T s -2T s V g -2T s V h 3T s V g +3T s V h -3T s T s -T 1-T 242T s -2T s V g -2T s V h 3T s V g +3T s V h -3T sT s -T 1-T 25T s (V g -V h )/M 11.5T s V h T s -T 1-T 26T s V g +2T s V h -2T s /(M 1-2)1.5T s V hT s -T 1-T 272T s -2T s V g -T s V h 1.5T s V g T s -T 1-T 28T s V g +0.5T s V h -T s 0.5T s V g +T s V h -T s T s -T 1-T 2表4　大扇区1开关序列3　仿真分析优化的控制策略原理图如图5所示㊂在Matlab /Simulink 中建立了所提出的优化SVPWM 与VSVPWM 闭环控制策略系统模型㊂仿真所带负载是三相对称的,主要仿真参数的设置如下:L =15mH,R =10Ω,V dc =600V,C 1=C 2=4.7mF,载波频率f s =10kHz,基波频率f =50Hz,设置两个调制度分别为m =0.866,m =0.95㊂图5　闭环控制策略原理图Fig.5　Schematic diagram of closed loop control strategy 调制度为0.866时仿真结果如图6~图9所示㊂图6　传统SVPWM 仿真结果Fig.6　Simulation results of traditional SVPWM 224吉林大学学报(信息科学版)第41卷图7　优化的SVPWM 仿真结果Fig.7　Optimized SVPWM simulation results 从图6a 可看出,采用传统SVPWM 时可输出稳定的线电压,图6b 所示中点的电位波动约为+3~-1V,由图7b 可看出,优化的SVPWM 中点电位的波动约在+1.5~-1.5V,且图7a 表明优化的SVPWM可以输出稳定的线电压㊂图8　传统VSVPWM 仿真结果Fig.8　Simulation results of traditional VSVPWM 从图8a 可看出,采用传统VSVPWM 稳定后可以输出稳定的三相电流,电流幅值大小约为40A㊂图8b 表明此时的中点电位波动在12V 左右,图8c 为相电流快速傅氏变换分析(FFT:Fast Four Transformation),可以看出此时相电流的电流总谐波畸变率(THD:Total Harmonic Distortion)为1.09%㊂ 从图9b 可看出,采用平衡因子㊁调差系数和无差拍控制的VSVPWM 时中点的电位波动在1.5V 左右,图9a 表明采用该方法控制下的VSVPWM 输出稳定的三相电流,幅值约为40A㊂从图9d 可看出采用平衡因子和调差系数的VSVPWM 中点电位波动在-0.2~0.5V 左右,且图9c 表明采用该方法控制下的VSVPWM 输出稳定的三相电流,幅值约为50A㊂图9e 表明采用平衡因子㊁调差系数和无差拍控制时相电流的THD 为2.54%㊂图9f 表明采用平衡因子㊁调差系数时相电流的THD 为0.64%,与图8c 对照可知,相对传统VSVPWM 方法相电流THD 低一些㊂调制度为0.95时,平衡因子和调差系数控制下的中电位差为-2~-4V(见图10a),而平衡因子㊁调差系数和无差拍的中电位差为2.5V 左右(见图10b)㊂324第3期付光杰,等:基于优化的VSVPWM 三电平NPC 逆变器控制策略图9　调制度为0.866时优化控制策略仿真结果Fig.9　Simulation results of optimal control strategy when the regulation system is 0.866图10　调制度为0.95时优化控制策略仿真结果Fig.10　Simulation results of optimal control strategy when the regulation system is 0.95仿真结果表明平衡因子㊁调差系数和无差拍控制方式下与平衡因子和调差系数控制方式下的VSVPWM 都可对中点电位进行有效控制,证明了优化VSVPWM 方法的有效性㊂而在调制度特别高的场合宜采用平衡因子㊁调差系数和无差拍控制三者结合的控制方法㊂4　结　语笔者以三电平逆变器为研究对象,针对传统的SVPWM 和VSVPWM 并不能完全使中点电位平衡问题提出了采用调差系数和平衡因子与无差拍控制结合的方法控制中点电位,该闭环控制策略可通过反馈值即中点电位差值和三相电流实时调整逆变器输出值的大小,从而对逆变器中点电位精确补偿和控制,同时引入g鄄h 坐标系简化了计算㊂通过仿真可知,采用调差系数和平衡因子与无差拍控制结合的方法对解决传统的SVPWM 和VSVPWM 中点电位不平衡的问题是有效和准确的,尤其当调制度较高时,该闭环控制策略的效果更加明显,输出的波形相对于传统算法更加平缓,而且输出波形的畸变率小,器件开关损耗小,因此该策略提升了逆变器的整体性能㊂424吉林大学学报(信息科学版)第41卷参考文献:[1]许春雨,刘梅.三电平逆变器中点电位平衡控制的研究[J].电气传动,2013,43(2):40⁃43.XU C Y,LIU M.Research on Midpoint Potential Balance Control of Three⁃Level Inverter [J].Electric Drive,2013,43(2):40⁃43.[2]范波,谢冬冬,赵伟刚.基于VSVPWM 的三电平中点电位补偿平衡控制[J].电气传动,2014,44(7):38⁃43.FAN B,XIE D D,ZHAO W G.Three⁃Level Midpoint Compensated Balance Control Based on VSVPWM [J].Electric Drive,2014,44(7):38⁃43.[3]CHOI UI⁃MIN,LEE JUNE⁃parative Evaluation of Lifetime of Three⁃Level Inverters in Grid⁃Connected PhotovoltaicSystems [J].Energies,2020,13(5):1227⁃1240.[4]MOHZANI Z,MCGRATH B P,HOLMES D G.A Generalized Natural Balance Model and Balance Booster Filter Design forThree⁃Level Neutral⁃Point⁃Clamped Converters [J].IEEE Transactions on Industry Applications,2015,51(6):4605⁃4613.[5]TAN G,DENG Q,LIU Z.An Optimized SVPWM Strategy for Five⁃Level Active NPC 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基于SVPWM算法的数字控制三电平逆变器的研究【摘要】三电平逆变器属于电压型逆变器，它是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路，本文通过深入论述三电平逆变器SVPWM的基本原理及算法特点，总结了SVPWM的应用特点，为其能在工程领域应用提供一定的工程参考价值。

【关键词】逆变器；SVPWM；数字控制1.引言与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器自从上世纪80年代提出以后，逐步成为目前在系统设计和工程应用研究的热点之一。

三电平逆变器属于电压型逆变器，它是多电平逆变器中比较有实用意义的一种电路。

三电平逆变器具有好的输出电压、电流波形；器件具有两倍的正向阻断电压能力；能降低开关频率，从而使系统损耗减小让低压开关器件应用于高压逆变器中，然而由于其逆变状态比传统的两电平逆变器多若干倍，以及中点电压的不均衡问题给三电平逆变器带来了很多控制方面的复杂性。

多电平逆变器的思想提出至今，出现了许多控制方法，但归纳起来主要有三种：正弦载波PWM（SPWM）、选择性消谐波PWM （HEPWM）、空间矢量PWM（SVPWM）。

2.三电平逆变器SVPWM方法的原理空间矢量PWM（SVPWM）是国外学者在交流电机调速中提出的，是由磁通轨迹控制思想发展而来的，其物理概念清晰，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分，以及输出电压利用率高、中点电位易于控制平衡和功率管的开关次数较少，更容易且适合数字化实现。

SVPWM一经问世，就成为三相逆变器中最重要的调制方式。

它用空间矢量的概念来计算开关作用时间，是一种简化的数字PWM 调制。

SVPWM又称磁链追踪型PWM法，它是从电动机的角度出发，其着眼点是如何使电动机获得圆磁场。

具体地说，它是以三相对称正弦波电压供电下三相对称电动机定子理想磁链圆为基准，由三相逆变器不同开关模式下所形成的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，在追踪的过程中，逆变器的开关模式作适当的切换，从而形成PWM波。

2.1 空间电压矢量的定义交流电机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用空间矢量来表示。