H桥级联多电平逆变器相移SVPWM技术的研究

黄本润，夏 立，吴正国

(海军工程大学电气与信息工程学院，湖北武汉430033)

0 引言

多电平PWM控制方法是由两电平发展而来，和具体多电平电路的拓扑结构有直接关系。目前应用于多电平的PWM控制方法主要有:载波调制PWM法(Carrier-based PWM)、空间矢量PWM法(Space Vector PWM-SVPWM或SVM)和特定谐波削去PWM法(Selective Harmonics Elimination PWM-SHEPWM)等［1-3］，其中，载波调制PWM方法和空间矢量PWM方法研究及应用较多。

根据载波分布特点，载波调制法又可分为消谐波PWM(Sub-harmonic PWM-SHPWM)［4］和 载 波 移 相PWM(TriangularCarrierPhaseShiftingPWM-PSPWM)［5］。为提高直流电压利用率，在参考波中注入零序分量的方法称为开关频率优化PWM(Switching Frequency Optimal PWM-SFOPWM)［6］。这三种方法所用载波的数量相同，M电平电路每相需采用M－1个三角载波。载波移相PWM法是针对等电压的单元级联型逆变电路特点提出的。通过载波移相使各单元输出电压脉冲在相位上相互错开，可以叠加出多电平波形。由于各单元的调制方法相同，只是载波或参考波相位不同，因而控制算法容易实现，也便于向更多电平数扩展。

空间矢量PWM法(SVPWM)以三相瞬时电压合成的空间电压矢量为控制对象，电压矢量由所在区实际存在的电压矢量和零矢量相互切换来合成。实际存在的电压矢量由其开关状态决定，多电平电路的开关状态数量为电平数的三次方(M3)。对于超过五电平电路，开关状态大量增加，SVPWM控制将极其复杂。因此，SVPWM虽然在两电平通用变频器中获得了广泛应用，却难以向多电平扩展，目前只在二极管箝位型三电平电路中获得了实际应用［7-11］。

由于级联型电路电平数较多，电压空间矢量的选择和矢量作用时间的计算都很复杂，虽然已有一些基于特殊坐标系的快速算法提出［12-18］，但不如载波移相PWM方法容易扩展，目前还未能在级联型多电平电路中获得实际应用。文献［19］中对SVPWM控制算法做了大量研究，并提出了一种无需求电压矢量夹角的三角函数运算和坐标旋转运算的电压SVPWM算法，在该方法中只有普通的四则运算，扇区判别和矢量作用时间的计算都非常简单，有利于SVPWM的进一步广泛应用。本文研究的移相空间矢量调制法基于传统的两电平空间矢量调制法，采用载波移相的思想，将文献［19］提出的SVPWM方法应用到级联多电平逆变器中，并通过系统仿真进行验证。

1 载波移相法(PSPWM)

N级H桥级联型逆变电路如图1所示，每相由N个电压等级相同的三电平H桥级联构成，输出电压电平数M和每相单元数N的关系为:

图1 N单元级联逆变电路

根据其结构特点，最适合采用PSPWM法，所需载波数Nc为:

图2 H桥单元左右桥臂驱动信号的生成方法

不考虑直流母线电压脉动时，桥臂输出电压波形和桥臂驱动信号波形相同，单元输出电压波形和左右桥臂驱动信号之差波形相同。对于级联型逆变电路，等效载波频率为:

输出电压的谐波分布和等效载波频率有关。采用PSPWM方法可以在获得同样等效载波频率输出电压的情况下，减小器件的开关频率，从而降低器件的开关损耗。

2 移相空间矢量调制法(PSSVPWM)

2.1 一级单元的PSSVPWM方法

由三个H桥组成的三相一级单元电路如图3所示，共有6个桥臂，将其分为两组:左桥臂 LA、LB、LC和右桥臂 RA、RB、RC。分别控制这两组桥臂，可形成两个电压矢量:左桥臂电压矢量uL和右桥臂电压矢量uR。相电压为左右桥臂电压之差，即:

式(4)、(5)、(6)中 uLA、uLB、uLC分别为 A、B、C三个单元左桥臂中点对直流侧负极的电压;uRA、uRB、uRC分别为A、B、C三个单元右桥臂中点对直流侧负极的电压。

图3 一级单元电路三电平逆变电路

显然，由相电压 uAN、uBN、uCN所合成的电压矢量(uAN，uBN，uCN)为左桥臂电压矢量L(uLA，uLA，uLC)和右桥臂电压矢量R(uRA，uRB，uRC)之差，即:

2.2 N单元级联电路的PSSVPWM方法

2.3 电压空间矢量的新型算法

图4 三相三线DC/AC逆变器接线图

各个空间矢量分布情况如图5所示。

图5 电压矢量和扇区空间分布图

常规的空间矢量算法需要进行复杂的正弦函数、反正切函数运算，计算量大，计算精度也会受到不可忽视的影响。在文献［19］的研究结果中，对于两电平的SVM得到一种新型算法。则其研究结果如表1所示。

表1 电压空间矢量PWM的新型算法

其中:t(m，n)=Ts/Udc，m，n∈{A，B，C};在 Ts内剩余的时间由v0或v7补充。该方法可以直接应用于级联多电平的SVPWM中。

3 仿真验证

为了验证上述算法的正确性，建立两级级联H桥多电平模型进行仿真验证。参数设置如下:直流侧电压为200 V，输出交流电压频率50 Hz，每个周期的采样次数为20，幅度调制比为0.95。仿真结果如图6所示，输出相电压为5电平波形，线电压为9电平。通过FFT分析，如图7所示，相移空间矢量法所得基波幅值高于载波移相法，约为1.15倍，直流侧电压利用率高。第一个谐波群出现在4 000 Hz附近，和载波移相法有相同等效载波频率。

图6 A、B相电压和线电压波形

图7 通过FFT分析的基波幅值

4 结论

本文把移相空间矢量调制法应用于级联多电平脉宽调制中，该方法兼顾了载波移相法和空间矢量法的优点，直流侧电压利用率高，等效载波频率高。而一种简单的空间矢量算法的采用，无需进行电压矢量夹角的三角函数和无理数的运算，只有普通的四则运算，无论是判别扇区还是计算矢量作用时间，计算变得非常简单，有利于实时性控制，结果更加准确。在具体实现时，DSP只需完成一级单元左右桥臂两个基本电压矢量的计算，生成一级三相三个单元6个桥臂的驱动信号。其余各级单元的驱动信号可通过CPLD或FPGA在分配各单元驱动信号时作相应的延时即可。该算法和两电平的SVPWM相比，并没有增加DSP运算的负担，易于实现。

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