三電平SVPWM逆變器中點電壓平衡的研究

摘    要：文章簡要分析了中點鉗位式三電平逆變器的基本原理，提出了一種平衡中點電位的新方法，并運用TMS320F2407實現(xiàn)了全數(shù)字化控制系統(tǒng)，最后通過仿真驗證了該方案的正確性。
關鍵詞：中點鉗位；三電平逆變器；DSP
引言
多電平逆變器由于具有效率高、動態(tài)性能好、對電動機產生的諧波較少，適合高壓大容量等優(yōu)點，在高壓大容量交流調速領域得到了廣泛的運用。
三電平(NPC)逆變器的中點電位平衡問題已經被越來越重視，本文簡單介紹一種平衡中點電位的新方法。

三電平逆變器的基本原理                           
如圖1所示，三電平逆變器每一相橋臂的4個開關元件Sx1, Sx2, Sx3, Sx4(x=a,b,c)有3種正常的開關模式。當Sx1和Sx2觸發(fā)導通時，X相輸出正電平，Sx2和Sx3觸發(fā)導通時，X相輸出零電平，Sx3和Sx4觸發(fā)導通時，X相輸出負電平，三電平分別用1、0、-1表示，其中4個功率元件的驅動信號滿足條件：Sx1=， Sx2=。NPC開關邏輯和空間電壓矢量圖如圖2所示。其中：

中點電位控制的新方法                                       
如圖3所示，把三電平逆變器空間矢量圖看成由六個小六邊形組成，s的值(1，2，3，4，5，6)分別代表小六邊形。每個小六邊形則代表通常的兩電平逆變器的空間矢量圖，從而使三電平逆變器向兩電平逆變器轉換，便于對三電平逆變器空間矢量的分析。
根據(jù)給定的參考電壓矢量的位置，在六個小六邊形中選擇一個六邊形，使參考電壓矢量處于所選六邊形的內部。從圖3可以看出，兩相鄰六邊形在某些區(qū)域是相互重疊的，參考電壓矢量在這些區(qū)域時s 有多個值。如在圖4中，S12所指三角形區(qū)域時s的值為1或2。當s=1時，Vref減去點(POO)的矢量V0即得V1，經過這樣的矢量變換，原始參考矢量Vref的原點就會轉換到所選六邊形的中心點(POO)，從而使三電平矢量向兩電平矢量轉換。
三電平相電壓向量[Va ,Vb ,Vc]的關系式為：

其中a1、b1、c1分別為開關變量，可表示為1，0，-1，因而短矢量(即所選六邊形中心電壓矢量)位置的相電壓向量可以確定，如點(POO) 處的相電壓向量分別為： Va=Vdc/3,Vb=Vc =-Vdc/6；點(PPO)的相電壓矢量為：Va=Vb=Vdc/6，Vc=- Vdc/3；點(OPO)的相電壓矢量為：Va=Vc=-Vdc/6，Vb=Vdc/3等等，由此可得各六邊形中心點的矢量值。
s的值確定后，參考電壓矢量的原點就可以轉移到所選六邊形的中心位置。從圖4中可以看出，當s=1時，參考電壓矢量 減去所選六邊形的中心矢量V，就可以得到修正電壓矢量 ，如表1所示。
在三電平逆變器空間矢量中大矢量不影響電容電壓波動，因而對中點電位平衡沒有影響。只有中、小矢量對中點電位有一定的影響，所以當參考電壓矢量位于相鄰小六邊形重疊的區(qū)域，中點電位可以通過改變開關次序來控制。如圖4所示，s值為1或2，當s=1時根據(jù)最近三矢量(NTV)原則，開關次序為：(POO)→(PON)→(OON)→(ONN)。此時若負載電流從電容器流出，則負載電流將使電容C2放電VC2↓，C1充電VC1↑，電壓誤差△V = VC1- VC2>0；當s=2時，開關次序為：(PPO)→(POO)→(PON)→(OON)。若負載電流從電容器流出則使電容C1放電VC1↓，C2充電VC2↑，電壓誤差△V=VC1- VC2<0。從以上分析可知，根據(jù)電壓誤差以及三相電流方向，只要改變s的值(加1或減1)就可以有效地控制中點電位平衡。

矢量作用時間的計算及其時序圖
圖5所示三邊形由電壓矢量V0、V13、V14組成，且被劃分為4個小區(qū)域1、2、3、4。如果參考電壓矢量Vref位于區(qū)域2，以電壓矢量V13為參考軸，則各電壓矢量及參考電壓矢量的關系如下：
V1=                                      (1)
V7=                            (2)
V2=                               (3)                    
Vref=V                               (4)
又由兩電平逆變器可知，空間矢量PWM滿足以下兩個等式：
V1