一种新型多电平逆变器参考电压矢量分解算法

戴鹏，邢履帅，吴斌（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）



一种新型多电平逆变器参考电压矢量分解算法

戴鹏，邢履帅，吴斌
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008）

摘要：为解决传统两电平空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法推广应用于多电平时，计算量大、实时性差的问题，以中点钳位（NPC）H桥5电平逆变器为例，提出一种基于αβ坐标系的新型参考电压矢量分解SVPWM算法。该算法直接将5电平矢量分解为两电平，避免了先将5电平转化为3电平，再将3电平转化为两电平的繁琐过程，使总体计算量大为减少，提高了实时性，易于向更高电平推广。仿真与实验结果验证了所提算法的有效性。

关键词：多电平；参考电压矢量分解；空间电压矢量脉宽调制；中点钳位H桥5电平逆变器

与传统两电平逆变器相比，多电平逆变器具有输出电压谐波小、开关损耗小、效率高、电磁干扰小等优点［1］。

自中点钳位（NPC）3电平拓扑提出以来，多种逆变器控制方法被提出，主要有载波脉宽调制（SPWM）和空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）两种。SPWM不易优化逆变器输出电压性能；与SPWM相比，SVPWM由于直流电压利用率高，输出谐波分量小，易于数字化实现而得到了广泛研究。传统两电平SVPWM算法由于矢量少，计算量小，实现较为简单，但将其推广应用于3电平及以上时［2-3］，为确定参考电压矢量的准确位置并计算矢量作用时间，导致计算量剧增，不利于高精度实时控制。为解决这一问题，一些简化多电平SVPWM算法相继被提出［4-10］。

文献［4-8］所述的简化算法都是通过坐标变换将传统的αβ坐标系变换为非正交坐标系，这些非正交坐标系参考电压矢量位置易于判断，矢量作用时间计算公式统一，计算量大为减小并易于向更高电平推广。文献［9-10］通过先将5电平分解为3电平，再将3电平分解为两电平，与传统5电平SVPWM算法相比，计算量有所减少，但不易向更高电平推广。

此处，提出一种基于αβ坐标系的新型多电平参考电压矢量分解SVPWM算法。该算法直接将多电平转化为两电平，可以避免文献［9-10］中繁琐的逐级分解过程。以NPC/H桥5电平逆变器为例，介绍所提算法的原理，并同时进行仿真与实验验证。

1　NPC/H桥5电平逆变器拓扑结构及工作原理

NPC/H桥5电平逆变器的拓扑结构如图1所示。由图1可以看出：NPC/H桥5电平逆变器是由3个3H桥构成，每个3H桥由1个独立电源，2个分压电容，4个钳位二极管和8个主开关器件（含续流二极管）构成，其中a相中的开关器件Sa1，Sa2，Sa5，Sa6分别与Sa3，Sa4，Sa7，Sa8的驱动信号互补，b相、c相与a相类似。

图1　NPC/H桥5电平逆变器拓扑结构Fig.1 Topology of NPC/H-bridge five-level inverter

若Sxn=0，1，2，3，4（x=a，b，c）分别表示逆变器各相输出电压-Vdc，-0.5Vdc，0，+0.5Vdc，+Vdc，其中“1”表示开关器件导通，“0”表示开关器件关断，表1给出了a相输出电压与各开关器件通断的关系，b，c相与之类似。

表1　开关状态和电路状态对应关系Tab.1 The relationship between switch state and circuit state

NPC/H桥5电平逆变器具有减少直流侧电源数量的优点，而且易于实现模块化、集成化。本文中逆变器由12脉波不可控整流电路提供直流电源，12脉波不可控整流电路的中点与直流均压电容中点相连，这种结构从硬件电路上保证了中点电位的平衡，大大减小了控制算法的复杂度。

设逆变器三相输出电压为Van,Vbn,Vcn,在复平面内定义参考电压矢量为

其中

NPC/H桥5电平逆变器每相具有5种工作状态，可以得到53=125个空间电压矢量。如果定义用Sx=0，1，2，3和4（x=a，b，c）来分别表示每相的输出状态-Vdc，-0.5Vdc，0，+0.5Vdc和+Vdc，则可以得到基于αβ坐标系5电平逆变器空间矢量图，如图2所示。

图2　5电平逆变器空间矢量图Fig.2 Space vector diagram of five-level inverter

2　参考电压矢量分解SVPWM算法

2.1扇区划分

如图2所示，将正六边形空间矢量图分为Ⅰ至Ⅵ共6个扇区，每个扇区占据60°，如表2所示。

表2　扇区划分Tab.2 Sector division

2.2参考电压位置判断

2.2.1扇区判断

为确定参考电压矢量在空间矢量图中的位置，需要进行扇区判断，此处给出一种边界条件法。

规则1：Vrefα≥0；

规则2：Vrefβ＜0；

通过判断上述4条规则是否满足即能确定参考电压矢量所在的扇区，如表3所示。（“Y”表示成立，“N”表示不成立，“”表示无关，下同）。

规则4：

表3　扇区判断Tab.3 Sector judgment

2.2.2区域判断

确定了参考电压矢量所在的扇区后，还要进一步确定其所在的小三角形区域。

以第Ⅰ扇区为例，如图3所示，扇区Ⅰ由4个有重叠的两电平空间矢量六边形组成，将其划分为A，B，C，D 4部分，同样可以采用边界条件法判断。具体判断方法如下面的4个判断规则和表4所示。

图3　　第Ⅰ扇区区域判断Fig.3 Area judgment in the first sector

表4　区域判断Tab.4 Area judgment

定义这4个重叠的两电平空间矢量六边形的中点矢量为Vk，它们到参考电压矢量终点的矢量为Uk，Vk为基矢量，如图4所示，则

式中：n(n=1,2,3,4,5,6)为扇区号；k=1,2,3,4。

确定了参考电压矢量所在的区域即确定了k的取值，得到了参考电压矢量所对应的两电平矢量六边形，对于图4所示的情况，当参考电压矢量位于如图所示位置时，U4为等效的两电平参考电压矢量。

在第Ⅰ扇区中参考电压矢量所对应的两电平矢量六边形如图5所示，在1个扇区内划分4个两电平矢量。运用传统两电平SVPWM算法即可判断出Uk在两电平矢量六边形的哪一个小三角形当中，这个小三角形即为参考电压矢量所在的小三角形，1个两电平矢量区域中的小三角形定义方式也在图5中给出。

图4　　参考电压矢量分解Fig.4 Reference voltage decomposition

图5　　两电平区域定义Fig.5　 The definition of two-level area

2.3矢量作用时间计算

判断出参考电压矢量所在的小三角形后，小3角形的顶点对应的矢量为合成参考电压矢量的3个基本电压矢量。将确定的Uk作为等效两电平参考电压矢量，按照传统的两电平SVPWM算法中的伏秒平衡原理可以方便地计算出3个基本电压矢量的作用时间。

2.4开关序列安排

为了减小开关频率，降低开关损耗，应当对冗余开关状态进行合理选取，对产生共模电压高的开关状态剔除。此处采用对称7段式开关序列，其选取方法为：选择小三角形顶点最中间的开关状态，即对于具有奇数个开关状态的矢量，选择最中间的1个，对于具有偶数个开关状态的矢量，选择最中间的2个。经过选择，7段式调制方式采用如图2中带有括号的开关状态。

定义三相开关状态之和为S=Sa+Sb+Sc，起始矢量全部采用小三角形中S偏小的那个矢量，两个相邻的小三角形区域的矢量变化方向完全相反，以便在扇区切换的过程中避免电平跳变。以图5中的小三角形44，45 2个区域为例，区域44开关序列的顺序为：（310）→（311）→（321）→（421）→（321）→（311）→（310），区域45开关序列的顺序为：（300）→（310）→（311）→（411）→（311）→（310）→（300）。

3　Matlab仿真分析

在Matlab/Simulink环境下搭建基于所提算法的NPC/H桥5电平逆变器仿真模型进行仿真验证。仿真参数为：Vdc=400 V，直流侧均压电容Ca1=Ca2=Cb1=Cb2=Cc1=Cc2=4 700 μF，三相对称阻感负载R=10 Ω，L=15 mH；开关频率fs= 2 kHz。

定义调制度

基于本文的参考电压分解算法做了仿真分析，图6为m=0.4和m=0.8时，a相电流ia和线电压Uab的仿真波形。

图6　a相电流、电压仿真波形Fig.6 Simulation current and voltage waveforms of phase a

由图6可以看出，当调制度m=0.4时，输出线电压为5电平，当调制度m=0.8时，输出的相电压为9电平。线电压接近正弦波，验证了所用算法的正确性。

4　实验验证及结论

搭建了1台基于TMS28335型DSP和XC3S400 型FPGA的NPC/H桥5电平逆变器实验样机。DSP用于实施算法产生12路独立驱动脉冲，FPGA用于完成脉冲扩展、添加死区、故障保护等操作。实验样机的三相独立直流电源由三相工频交流电经过12脉波二极管不控整流得到。6个4 700 μF/450 V的电解电容作为直流侧均压电容，12脉波不可控整流电路的中点与直流均压电容中点相连。开关管采用IKW40N120T2型IGBT；驱动芯片采用HCPL316J；吸收电路为RCD型，电阻为10 Ω/27 kJ，电容为0.47 μF的无感电容，二极管采用MUR860超快恢复二极管；负载为Y型连接的三相对称阻感负载，电阻值为10 Ω，电感值为15 mH。实验中死区时间设置为5 μs，开关频率为2 kHz。

图7为当直流电源电压Vdc=40 V，调制度分别为m=0.4和m=0.8时，两相之间线电压Uab和相电流ia的实验波形。由图7可以看出，实验结果良好，与仿真一致，证明了所提算法的有效性。

图7　实验输出线电压和相电流波形Fig.7 Experimental output line voltage and current waveforms

针对传统5电平SVPWM算法计算量大，实时性差的问题，提出一种基于参考电压矢量分解的新型多电平SVPWM算法。该算法直接将多电平分解为两电平，避免了将参考电压矢量逐级分解的繁琐过程，且易于向更高电平推广。以NPC/H 桥5电平逆变器为例，介绍所提算法的原理，仿真和实验结果表明了所提方法的正确性和可行性。

参考文献

［1］何湘宁，陈阿莲.多电平变换器的理论和应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006．

［2］卢其威，王聪.五电平逆变器空间矢量欠调制模式的研究［J］.电工技术学报，2005，20（4）：83-88．

［3］王辉，谭维胜，瞿超杰.中点钳位H桥五电平逆变器空间矢量脉宽调制方法研究［J］.湖南大学学报（自然科学版），2012，39（4）：42-47．

［4］Nikola Celanovic，Dushan Boroyevich.AFast Space-vector Mod⁃ulation Algorithm for Multilevel Three-phase Converters［J］. IEEETransactiononIndustryApplication，2001，37（2）：637-641.

［5］赵辉，李瑞，王红君，等. 60°坐标系下三电平逆变器SVPWM方法的研究［J］.中国电机工程学报，2008，28（24）：39-45．

［6］于月森，赵成成，符晓，等.基于g-h坐标系SVPWM控制算法5电平逆变器仿真研究［J］.电气传动，2011，41（12）：37-40．

［7］肖湘宁，刘昊，姜旭，等.非正交坐标系多电平SVPWM及其在DVR中的应用［J］.电力电子技术，2004，38（6）：20-23.

［8］Prasad E，Sudhakar A，Vijay Kumar. Simulation of Five-level Inverter Fed PMSM Based on Fast SVPWM［C］//Power Elec⁃tronics Drives and Energy Systems，2012：1-5．

［9］曹海洋，徐兴华，李高峰，等. 5电平SVPWM简化控制算法研究［J］．电气传动，2014，44（2）：43-46．

［10］Hou Xuan，Li Yongdong，Liu Yongheng. A Novel General Space Vector Modulation Algorithm for Multilevel Inverter Based on Imaginary Coordination［C］//Power Electronics and Drive Systems，2003：392-396．

修改稿日期：2015-08-11

Novel Reference Voltage Vector Decomposition Algorithm for Multi-level Inverter

DAI Peng，XING Lüshuai，WU Bin
（School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，Jiangsu，China）

Abstract:When traditional two-level SVPWM algorithm applied to multi-level，it is complex in calculation and real-time performance is poor. Take neutral-point-clamped（NPC）H-bridge five-level inverter for instance，implemented a novel reference voltage vector decomposition algorithm based on αβ coordinate. This algorithm can directly transformed five-level to two-level，avoiding the complicated process of firstly transforms five-level to three-level，then transformed three-level to two-level. This method reduced the amount of calculation and improved the real-time performance，in addition，it could be applied to higher levels. The simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.

Key words:multi-level；reference voltage vector decomposition；space vector pulse width modulation；nautralpoint-clamped/H-bridge five-level inverter

收稿日期：2015-03-31

作者简介：戴鹏（1973-），男，博士，教授，Email：13329285666@189.cn

中图分类号：TM464

文献标识码：A