NPC三电平逆变器SVPWM的研究

2016-07-01山东科技大学电气与自动化工程学院孔凡超胡世杰刘孟茹大唐山东电力检修运营有限公司牟振天安徽东至县供电公司陈汝巍

电子世界 2016年10期

关键词：仿真

山东科技大学电气与自动化工程学院孔凡超胡世杰刘孟茹大唐山东电力检修运营有限公司牟振天安徽东至县供电公司陈汝巍

NPC三电平逆变器SVPWM的研究

山东科技大学电气与自动化工程学院孔凡超胡世杰刘孟茹
大唐山东电力检修运营有限公司牟振天
安徽东至县供电公司陈汝巍

【摘要】现代交流电机调速系统主要包括电动机和电力电子变频器，中性点嵌位（NPC）三电平逆变器是应用最为广泛的逆变器。本文以NPC型三电平逆变器电路为平台，对空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法进行理论研究。利用MATLAB/SIMULINK软件进行了90°坐标系下SVPWM算法的仿真实验，并给出了仿真结果。

【关键词】SVPWM；三电平逆变器；仿真

0　引言

早在20世纪80 年代，德国的H.Wvander Broeck 教授等就已经提出了电压空间矢量脉宽调制策略［1］。随着电力电子器件的发展，SVPWM算法以电压率利用高（通常比SPWM高15%左右）、极易数字化等优点，被广泛的应用到三电平逆变器上。三电平逆变器的空间矢量有27个，合成某个空间矢量的选择性很多，设计高效、简单的调制方法成为SVPWM算法的研究热点［2，3，4］。

本文首先分析了SVPWM的原理，然后从参考矢量的扇区判断和合成矢量的选择入手，设计一种基于90°坐标系的SVPWM算法，最后利用MATLAB/SIMULINK仿真得出实验结果。

1　SVPWM的原理简介

图1　NPC型三电平逆变器主电路

图1是典型的NPC三电平逆变器的拓扑结构，Vdc为直流电源，直流侧有C1、C2两个容量相等的电容，每个电容分得的电压是Vdc/2；每个桥臂由4个IGBT、两个嵌位二极管、4个续流二极管组成。

根据桥臂上开关的三种导通状体，每个桥臂可以输出三种电平，即每个桥臂有三种工作模式。以第一个桥臂为例，工作模式1：只有Q1两个开关都导通，桥臂输出Vdc/2；工作模式2：Q1下和Q2上两个开关导通，桥臂输出电压为0；工作模式3：只有Q2两个开关导通，桥臂输出-Vdc/2。

当三相正弦电压加在交流电机的三个绕组上时，电机磁链在α-β坐标系呈现圆形的运动轨迹。我们定义空间电压矢量：

式中α=ej2/3π，Ua、Ub、Uc是三相交流电。三电平电路一个桥臂只能输出Vdc/2、0、-Vdc/2三种电压值，即每相只有正（P）、零（0）、负（N）三个开关状态。所以，三电平逆变器有33=27种开关组合，对应27个空间向量，在α-β平面27组向量的分布图如图2所示。

图2　三电平逆变器电压矢量分布图

定义电压参考向量：

其中，Vref是Vref的模值，θ为空间角度。式中，SVPWM算法的核心思想是用矢量合成电压逼近参考电压Vref。参考矢量扇区可以通过θ角来判断，设0°＜θ≤60°为第一扇区，60°＜θ≤120°为第二扇区，120°＜θ≤180°为第三扇区，180°＜θ≤240°为第四扇区，240°＜θ ≤300°为第五扇区，300°＜θ≤360°为第六扇区。下面以第一扇区为例，选择合成矢量，计算矢量作用时间，其他扇区同理可得。

将第一扇区，分成A、B、C、D四个小的区间，参考矢量Vref落到哪个小区间，就用哪个区间矢量来合成它。

其中，Vdc是直流母线电压，Vα和Vβ是参考矢量在90°坐标系的x轴分量和y轴分量。

当满足条件（3）时，参考矢量位于A区间；满足条件（4），位于（B）区间；满足条件（5），则位于C区间；都不满足则位于D区间。参考矢量的小区间确定后，应该用最近三角矢量法（NTC），来合成参考矢量，这样可以减小电压的谐波含量。以参考矢量位于B区间为例，选择V0、V10、V20矢量来合成。由“伏秒平衡”原理可知：

由式（6）和式（7）确定基本矢量作用的时间：

同理可得第一扇区其他小区间的作用时间，如表1所示。其它扇区矢量的作用时间可以通过旋转θ角来实现。

表1　基本矢量作用时间

对于矢量的合成方法很多，采用中心对称的7段脉冲序列，可以有效降低谐波含量。

2　实验仿真与分析

为了验证SVPWM算法的有效性，本文在仿真中引入阻感负载，如图3所示。电感L为0.02mH，电阻R为11Ω，Vref为400V，Ts为1/2000S。输入有参考电压Vref、调制比m、参考电压频率f和采样周期Ts，输出是PWM脉冲序列。具体算法，根据第2节的原理，通过C语言编程来实现扇区的判断和每个矢量作用时间的计算。因为在拓扑结构中，上下桥臂的1、3开关和2、4开关不能同时开通，所以我们只需计算两个开关的PWM序列，然后取反就可以得到另外两个开关的PWM序列。