一种三电平的SVPWM调制方法设计

方益 周作辉

摘  要：随着社会的发展，人类对电能的需求日益增加与能源短缺成为当今社会的尖锐问题，如何更高效地转换和利用电能，已经成为目前关注的焦点。在传统的三相对称逆变器中，一般采用两电平的SVPWM调制方式或两电平的SPWM调制方式。本文提出一种三电平的SVPWM调制方式，首先对比传统的两电平SPWM和两电平SVPWM调制方式，分析三电平SVPWM调制方式的优缺点;然后从原理上推导三电平SVPWM调制方式;最后提出一种比较便于DSP实施的三电平SVPWM具体调制方式。

关键词：逆变器;三电平;SVPWM

中图分类号：TM464      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）15-0055-03

A Three-level SVPWM Modulation Method

FANG Yi，ZHOU Zuohui

（Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：With the development of society，human’s increasing demand for electric energy and energy shortage have become acute problems in today’s society. How to convert and use electric energy more efficiently has become the focus of current attention. In the traditional three-phase symmetrical inverter，two-level SVPWM modulation mode or two-level SPWM modulation mode is generally adopted. This paper proposes a three-level SVPWM modulation mode. Firstly，the advantages and disadvantages of three-level SVPWM modulation mode are analyzed by comparing the traditional two-level SPWM and two-level SVPWM modulation mode. Then three-level SVPWM modulation mode is deduced from the principle. Finally，a specific modulation method of three-level SVPWM is proposed.

Keywords：inverter;three-level;SVPWM

0  引  言

在能源高度紧张的今天，人们对能源需求越来越大，电能作为一种高效、便利、清洁的能源为大家广泛采用，如何高效率地进行电能变换成为当前电力电子行业研究的热点问题。逆变器（DC/AC变换）是电力电子技术中一种重要的电能变换技术，提升逆变转换效率，将有效地缓解当前的能源紧张问题。传统的两电平SPWM调制方式和两电平SVPWM调制方式由于硬件简单、软件实现方便，在目前的行业中得到广泛的应用。由于两电平的电压应力直接加到开关管两端，导致开关管开关应力较大，电压应力与三电平相比较高，开关管开管损耗较大。此外，两电平的SPWM调制方式和两电平SVPWM调制方式由于开关过程加载逆变滤波电感的电压是三电平SVPWM调制方式的兩倍，电感的dv/dt较大，导致电感的纹波电流较大，相对于三电平的SVPWM调制方式，两电平的SPWM调制方式和两电平SVPWM调制方式需要更加大的滤波器，必然会增加逆变器的成本并降低逆变器的效率。

本文首先对比两电平SPWM调制方式、两电平SVPWM调制方式与三电平SVPWM调制方式的优缺点，然后分析三电平SVPWM调制方式的原理，最后提出一种七段式三电平SVPWM调制方式在DSP中具体的实现方式。

1  三电平SVPWM优缺点对比

三电平SVPWM调制方式的逆变器功率拓扑如图1所示。

对比两电平SPWM调制、SVPWM调制逆变器与图1所示的三电平SVPWM调制逆变器，当两电平逆变器与三电平逆变器母线电压相等时，设两电平逆变器的母线电压为VDC2，则有：VDC2=VDC3++VDC3-，根据文献[1]，图1中的开关管电压应力只有两电平逆变器的开关管电压应力的一半，同时，两电平的输出滤波电感La、Lb、Lc所承受的电压应力较图1中的滤波电感La、Lb、Lc大，在感量相同的情况下根据电感的基本定义（式1）可以得出采用两电平的SPWM调制方式和两电平的SVPWM调制方式较图1中采用三电平的SVPWM的电感纹波较大[2]。

=                                     （1）

2  三电平SVPWM调制原理

以图1为例，对于电感La对应的A相S1与S8为互补管，S2与S7为互补管。同样，对于电感Lb对应的B相S3与S10为互补管，S4与S9为互补管，对于电感Lc对应的C相S5与S12为互补管，S6与S11为互补管。为了便于数学表达，设A、B、C三相的开关为Sa、Sb、Sc，Sa、Sb、Sc的取值有三种，分别为-1、0、1。

以Sa为例，Sa=-1对应于开关管S1关断、开关管S8开通、开关管S2开通、开关管S7关断，即加在电感La的电压为从左至右的参考方向为-VDC3-，又有VDC3-=VDC3+，则有：

VLa=-                             （2）

Sa=0对应于开关管S1关断、开关管S8开通、开关管S2关断、开关管S7开通，即加在电感La的电压为从左至右的参考方向为0。

Sa=1对应于开关管S1开通、开关管S8关断、开关管S2关断、开关管S7开通，即加在电感La的电压为从左至右的参考方向为VDC3+。

在后续为了方便理解，将以上的三种状态记作N、O、P。按照排列关系，可以列出三电平SVPWM的矢量组合为3*3*3=27种，其中有三种为零矢量组合，分别为PPP、OOO、NNN。列出剩余的24种非零矢量序列如表1所示。

根据Clark变换进行等幅值，变换公式如式（3）所示：

（3）

将表1中列出的27种开关状态代入式（3）中，可以得出各状态的矢量分布图。为了方便软件计算，将所得到的矢量进行标幺，标幺量为  ，得出27种标幺后的矢量分布[3]。

3  七段式三电平SVPWM调制的DSP算法实施

通常的SVPWM调制方式采用坐標变换，控制算法处理后的结果为D-Q坐标系中的量，如果要实施SVPWM调制方式，首先需要将D-Q坐标系下的量Ud、Uq转化为α-β坐标系中的量Uα，Uβ，通过式（4）进行D-Q坐标系到α-β坐标系转换：

（4）

两电平SVPWM调制方式在α-β坐标系下与相应的映射区域一一对应，但三电平SVPWM由于矢量更加复杂，需要进一步将α-β坐标系转换到60°的g-h坐标系中，得到Ug、Uh，转换公式如式（5）所示：

（5）

在g-h坐标系中就可以很方便判定扇区及其SVPWM发波占空比计算，三电平扇区比较复杂，分为主扇区和子扇区，主扇区判定流程如下：

当Ug>0，Uh>0，则位于第一扇区;当Ug≤0，Ug+Uh>0，则位于第二扇区;当Ug+Uh≤0，Uh>0，则位于第三扇区;当Ug≤0，Uh≤0，则位于第四扇区;当Ug+Uh≤0，Ug>0，则位于第五扇区;当Ug>0，Ug+Uh>0，则位于第六扇区。

判定完主扇区后将Ug，Uh折算到第一扇区中得到Ug1，Uh1，就可以判定子扇区并确定其发波占空比，得到转换矩阵如式（6）所示，其中N为所在扇区。

（6）

使用转换到第一扇区后的Ug1，Uh1，进行子扇区判定，其中Ug1，Uh1采用标幺后的量计算，Ug1∈[0，1]，Uh1∈ [0，1]。判断流程图如下：

当Ug1>Uh1，Ug1>0.5，则子扇区为5;当Ug1>Uh1，Ug1+Uh1>0.5，则子扇区为3;当Ug1>Uh1，Ug1+ Uh1≤0.5，则子扇区为1;当Ug1≤Uh1，Uh1>0.5，则子扇区为6;当Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1>0.5，则子扇区为4;当Ug1≤Uh1，Ug1+Uh1≤0.5，则子扇区为2。

判断主扇区和子扇区后就可以根据相应的扇区进行发波矢量合成，采用七段式SVPWM矢量合成方式，以扇区1-1为例，得到Sa，Sb，Sc的矢量作用时序分别为：POO→OOO→OON→ONN→OON→OOO→POO，其他扇区可以通过类似的方式得到相应的占空比。

4  结  论

本文主要探讨了三电平SVPWM调制的发波方式，首先通过分析三电平的矢量构成，确定了27个不同组合的矢量分布关系，然后通过矢量的等效变换将D-Q坐标系中的矢量转换到α-β坐标系，最后为了更好地配合三电平复杂的矢量关系，将α-β坐标系中的矢量转换到g-h坐标系中，确定其适量的分布扇区，则可以方便地将g-h坐标系中的矢量用27个不同组合等效合成，最后提出了一种七段式SVPWM矢量合成方法，可以方便地在DSP中实现。

参考文献：

[1] 武海南.三相三电平SVPWM整流装置的研究与设计 [D].沈阳：东北大学，2013.

[2] 夏玲芳.T型三电平逆变器技术研究 [D].南京：南京航空航天大学，2014.

[3] 杨滔.三相三电平光伏并网发电系统中若干关键技术的研究 [D].杭州：浙江大学，2012.

[4] 权运良.三相三线制VIENNA整流器的研究与设计 [D].广州：华南理工大学，2014.

[5] Sanketkumar.V.P，Bipinkumar.R.N.3 LEVEL SVPWM SOLAR INVERTER USING DSP CONTROLLER [J].International Research Journal of Engineering and Technology，2016，3（5）：1917-1920.

[6] 蔡凯，程善美.三电平SVPWM方案的实现 [J].电气传动自动化，2008（4）：5-8.

作者简介：方益（1985-），男，汉族，湖南岳阳人，工程师，工学硕士，研究方向：嵌入式开关电源。