一种三电平逆变器空间矢量PWM控制算法的实现

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!!!!图 " 三电平逆变器空间矢量图
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空间矢量 "#$ 控制算法
采用三电平 #$%&’调制方式，逆变器的控制
指令是控制系统给出的参考空间电压矢量 （!， ， 它以一定角频率在空间旋转， 当转到某个 $()* !） 小扇区 （共有 +! 个小三角形扇区） 时， 系统选择， 算出相应主开关管的导通关断时间。改变 ! 和 ! 的值， 就能得到幅值和频率可调的 #$%&’ 波。 %&’
*
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（=）
#)3#2-#’-#( + 当旋转矢量位于 05 扇区时， 该矢量由 %5， %!9 %"
& ( #’3 % :5;+$ , #2 AB2!:2CD!6 " " ’
合成， 可得： ) （?） #(3#2 !$2CD!6 " " * #)35-#’-#( + 当旋转矢量位于 15 扇区时， 该矢量由 %+， %!9 %. 合成， 可得： !@
定稿日期 !$%%Bc%JcE& 作 者 简 介 ! 余 明 锋 "E"C"c #! 男 ! 四 川 达 州 人 ! 硕 士 生 ! 研 究方向为电力电子技术和微机实时控制 $
表中 !!"， #， $
"#"
空间矢量图
由表 E 可知， 每相输出有 ! 种状态： 故称 %+&+’， 之为三电平逆变器。以输出状态 %’’（%+’+’ 分别 为 (， 为例， 其在空间中的合成矢量 #， $ 输出状态） 如图 4 所示。三相共有 4C 种输出状态， 用空间矢量 的形式表示这些状态，可得到三电平逆变器空间矢
!
前
言
逆变器技术的实现方案有两电平、三电平或多 电平。两电平逆变器技术发展最为成熟， 应用场合 最广泛， 使用的开关器件少， 控制简单， 在低电压中 小功率的应用场合占据绝对的地位，但在中高压大 功率应用场合， 由于开关器件的限制， 两电平逆变器 实现起来比较困难。多电平逆变器技术就是针对高 电压大功率装置发展起来的变换技术。文中提出了 一种便于编程实现的三电平逆变器空间矢量 5=> 控制算法，同时研究了中点电位平衡问题。以 ?>@!$%-A$B%C 为控制平台，实现了基于 D@5 的三 电平逆变器的数字控制系统， 最后给出了实验结果， 以证明方案的正确性。
式中 !—在空间以一定角速度旋转的 —— $()* 的模 —— $—调制比
#)3#2 !$2CD!6 " " + 该矢量由 %5， 同理， 当旋转矢量位于 /5 扇区时， 可得： %+9 %! 合成， ( #’3 , #2 5:!$2CD!6 " " ’
& ) #(3 % 5:+$ , #2 AB2!:2CD!6 " " ’
且谐波含量减少， 电流上升率和电压变化率降低， 电 磁干扰大大减小， 提高了直流侧的电压利用率。
图 E 二极管箝位型三电平逆变器原理图
表 E 示出每相开关管的开关状态所对应的输出 状态， 其中 ’@E 与 ’@!， ’@4 与 ’@B 互补导通。
表! 输出状态表
"
"#!
三电平逆变器拓扑及空间矢量图
拓扑结构
图 = !# 扇区输出空间矢量
"
仿真及实验研究
为验证所提 H’5IJ 算法的正确性， 采用 KLMN 作为开关器件， 基于 OH5 控制芯片 NJH!$%P-$C%Q， 建立了实验系统， 如图 Q 所示。 中央控制器 C%JK5H 的执行速度具有极强的实 时控制能力。它有两个事件管理器，每个事件管理 器有 ! 个比较单元， 可输出 = 路带死区编程的 5IJ 波， 两个事件管理器共计输出 G$ 路 5IJ 波， 用以 驱动 G$ 个开关管。需注意应使两个事件管理器的
调频调幅原理
& ( #’3 % 8:+$ # #2 AB2!;2CD!6 " " $
#(3+$ # #2 ) AB2!:2CD!6 " " ’
* *
（.）
若逆变器输出频率为 "!./01， 设载波频率为 "23 开关周期 #2356"2， 则一个输出周期中 7#% 需 .401， 进行 .4016./01!8// 次矢量合成计算。改变每个输 出电压周期的矢量合成计算的次数，即可改变逆变 器的输出频率。 定义三电平逆变器的电压空间矢量调制比为： （8） $3!6$%&&
!
中点电位平衡控制
在三电平矢量控制中，控制方案对电容中点电 位有较大的影响 E!F， 因为某些矢量对中点电位有充 放电作用，充放电时间不同会使中点电位不平衡。 图 & 分别示出选用 !""， #"" 和 !!$ ! 个空间矢 矢量 !%" 对中 量对中点电位的影响。由图 & 可见， 点电位无影响，$"" 使电容 *4 放电， !"" 对 *4 充 电， 因此可分充利用短矢量的冗余状态， 适当选择合 成空间矢量，使整个周期中点的充放电大致平衡。 例 如 对 !G 扇 区 ， 按 照 !!$ )!!" )!$" )$$" ) 矢量合成见图 =， 使 !!$ 和 !$")!!")!!$ 顺序， 即 "#>"C。 其余扇区采用同样方 $$" 作用时间相同， 法， 就能在整个周期中使中点电位平衡。
参考文献
（英文版） EGF M;R2) S M(<.* 现代电力电子学与交流传动 EJF* 北京： 机械工业出版社， $%%!* E$F E!F 张 杰， 邹云屏， 张 贤 * 基于 NJH!$%-$C% 的三电平逆 OH5 /2<.X HY28. （!） ： 变器 H’5IJ 实现ETF*通信电源技术， $%%! G%"G!* P;1 U3( P， VW(; ,2R H， VW( L31 U* M2)2:8;:] E^F* 4%!* ’.89(0 5IJ Z(0 NW0..#).[.) K:[.09.0 6;9W OV#);:\ ’()92]. K777 K:X1<90;2) 7).890(:;8< V(:90() 2:X K:<901R.:929;(: K:9.0:29;(:2) V(:Z.0.:8. EVF*G""G： G"Q "
图 Q 三电平逆变电路系统原理图
图 & 空间矢量对中点电位的影响
图 D 三电平逆变器电压实验波形图
#
结
论
分析了三电平逆变器的控制原理，提出了一种 便于 OH5 编程实现的算法， 该算法简单、 可行。建立 了基于 OH5 的数字控制系统， 实现了三电平逆变器 输出频率和幅值连续可调。同时分析了控制算法中 所选择的空间矢量对中点电位的影响，在算法中采 用了中点平衡控制策略， 提高了系统的稳定性， 由实 验结果证明了该算法的正确性。
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（D）
"&>"’("#("% ( 其他 & 个大扇区可用归一化算法计算，由计算 得出，只要将以上 C 组公式中的 ! 值分别用 !A=%!) 即可在整个矢 !(#4%!)!(#D%!)!(4C%!)!(!%%!来代替， 量空间计算矢量合成的时间。
定时计数器值完全一致， 即做到同步驱动。 中央控制 器完成三电平的空间矢量算法， 输出控制脉冲。 图 D2 输出为标准的三电 实验结果如图 D 所示。 平波形， 比两电平更接近于正弦， 因加了中点平衡控 制， 输出波形良好， 未出现中点电位漂移。 图 D/ 输出 亦为标准的三电平电压波形， 但频率比图 D2 的低。