NPC型三電平逆變器SVPWM調(diào)制策略隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，目前逆變器多采用多電平脈寬調(diào)制技術(shù)。載波調(diào)制和空間矢量調(diào)制是PWM技術(shù)應(yīng)用于三電平逆變器的兩種具體方案，其中空間矢量調(diào)制技術(shù)以其更高的直流電壓利用率和良好的輸出特性因而更受歡迎。本章主要討論SVPWM方法調(diào)制NPC型三電平逆變器的具體流程。1.1NPC型三電平逆變器的空間電壓矢量分布SVPWM方法最早應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域，近些年發(fā)展成為多電平逆變器優(yōu)良的調(diào)制策略。相比于傳統(tǒng)的SPWM方法，該方法輸出的諧波電流更小，直流電壓利用率更高，更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。SVPWM方法的本質(zhì)是使三相輸出電壓合成的旋轉(zhuǎn)電壓矢量按照?qǐng)A形軌跡運(yùn)動(dòng)，這就要求三相的電壓大小按照正弦規(guī)律變化。由此定義三個(gè)空間電壓矢量Va、Vb、Vc，其表達(dá)式為： Va=式中Vm為相電壓最大值，ω為系統(tǒng)角頻率。三個(gè)電壓矢量合成的旋轉(zhuǎn)電壓矢量可表示為： V=23根據(jù)2.3章節(jié)的推導(dǎo)可知，逆變器每相能輸出三種開關(guān)狀態(tài)，用開關(guān)狀態(tài)表示相電壓： Va=將（3-3）式帶入（3-2）式可求得開關(guān)狀態(tài)與合成旋轉(zhuǎn)矢量的關(guān)系式： V=Udc根據(jù)第三章結(jié)論，逆變器三橋臂可以輸出P、O、N三電平，P、O、N也可以代表逆變器的三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，這意味著SA、SB、SC的取值為1、0、-1，逆變器33=27個(gè)開關(guān)狀態(tài)可以構(gòu)成空間矢量圖的27個(gè)基本矢量，這些矢量可用PPP、POO、PON、PNN等來表示。結(jié)合2.3章節(jié)推導(dǎo)及式(3-4)可得出αβ坐標(biāo)系下的三電平逆變器矢量圖由六個(gè)大三角構(gòu)成，共有27個(gè)基本電壓矢量，每一個(gè)電壓矢量代表三相橋臂開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)矢量模長的大小，可以把這些基本矢量劃分為基本零矢量、基本小矢量、基本中矢量和基本大矢量，如表3-1所示?；玖闶噶康哪ｉL為零，由PPP、OOO、NNN三個(gè)矢量構(gòu)成，冗余度為3。其中PPP、NNN對(duì)中點(diǎn)電位沒有影響?；拘∈噶磕ｉL為Vdc/3，POO、ONN等都屬于小矢量，冗余度為2。中矢量模長為3Vdc/3，例如PON、OPN等都屬于基本中矢量，冗余度為1。小矢量和中矢量都至少有一個(gè)輸出端與中點(diǎn)相連，并和直流側(cè)的正母線或負(fù)母線形成回路，對(duì)電容進(jìn)行充放電，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓波動(dòng)?；敬笫噶磕ｉL為2Vdc/3，PNN、PPN等都屬于基本大矢量，其冗余度為1。由于大矢量輸出端沒有與中性點(diǎn)相連，而是全部連接在正母線或負(fù)母線上，所以對(duì)中點(diǎn)電壓不產(chǎn)生影響。由于冗余小矢量的存在，可以通過調(diào)整小矢量的作用時(shí)間補(bǔ)償中矢量造成的中點(diǎn)電壓偏移，這將在第四章中介紹。圖3-1空間電壓矢量圖表3-1NPC型三電平逆變器空間電壓矢量分類矢量類型空間電壓矢量冗余度零矢量PPP、OOO、NNN3小矢量POO、ONN、PPO、OON、OPO、NON、OPP、NOO、OOP、NNO、POP、ONO2中矢量PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO1大矢量PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP11.2空間矢量調(diào)制策略空間矢量調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)是矢量合成原理和最近三矢量合成法則(NTV原則)。其算法實(shí)現(xiàn)主要包含以下幾個(gè)步驟：(1)確定參考矢量所在位置，主要包括判斷矢量所在的大扇形和將大扇形劃分為六個(gè)小扇區(qū)后具體的小扇區(qū)。(2)根據(jù)NTV合成法則確定各基本矢量的作用時(shí)間。(3)確定逆變器的開關(guān)順序。1.2.1參考電壓矢量區(qū)域的判定首先定義參考電壓矢量： Vref=|式中，|Vref|為參考電壓矢量的模值，θ參考電壓矢量本質(zhì)上是1.1章節(jié)中三個(gè)電壓矢量合成的旋轉(zhuǎn)電壓矢量，需要判斷它在空間電壓矢量圖中的具體位置。表3-2大扇形的判定方法大扇形ⅠⅡⅢⅣⅤⅥθ0~π3~2π3~π~4π35π3~圖3-2小扇區(qū)的劃分方法首先判斷參考電壓矢量所在的大扇區(qū)。根據(jù)圖3-1可以發(fā)現(xiàn)，空間電壓矢量圖被劃分成了6個(gè)大扇形，從α坐標(biāo)軸出發(fā)，每旋轉(zhuǎn)60°劃分出一個(gè)扇區(qū)，定義這六個(gè)扇區(qū)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。通過參考電壓矢量的空間角度θ來判定Vref在求得Vref所在大三角形后，需要明確其所在小區(qū)。圖3-2將一個(gè)大三角形劃分成了6個(gè)小三角形。圖中藍(lán)色矢量為參考電壓矢量Vref，V0為基本零矢量，VS1和VS2為兩個(gè)基本小矢量，VM1為基本中矢量，VL1和VL2為兩個(gè)基本大矢量。四條直線L1、L L1:式中Vα為αβ坐標(biāo)系下的α軸分量，Vβ為αβ坐標(biāo)系下的表3-3子扇區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)子扇區(qū)編號(hào)線性條件13Vα23Vα33Vα+V43Vα+V516V經(jīng)過上述分析可以判斷參考電壓矢量Vref1.2.2NTV法則及基本電壓矢量作用時(shí)間的計(jì)算本文采用使用最為普遍的最近三矢量合成法則進(jìn)行參考電壓矢量的合成，NTV法則定義如下：在一個(gè)采樣周期Ts內(nèi)，αβ坐標(biāo)系下的任意參考電壓矢量Vref都可以由相距它最近的三個(gè)基本電壓矢量來合成。例如對(duì)于圖3-2中的參考電壓矢量，Vref落在Ⅰ扇區(qū)的5區(qū)域，它可以由VS1、V接下來的步驟是通過計(jì)算各基本矢量的作用時(shí)間確定各全控開關(guān)管的作用時(shí)間?；诜肫胶庠砜梢缘弥蓸又芷趦?nèi)Vref TSV式（3-7）中，TS為一個(gè)開關(guān)周期，Vx、Vy、Vz為三個(gè)基本電壓矢量，Tx現(xiàn)在假設(shè)參考電壓矢量Vref TSV式中，VS1為基本小矢量，包含開關(guān)狀態(tài)POO和ONN；VM1為基本中矢量，包含開關(guān)狀態(tài)PON；VL1為基本大矢量，包含開關(guān)狀態(tài)PNN。TS1、 VS1=將式（3-9）帶入式（3-8）可得合成Ⅰ扇區(qū)5區(qū)域參考電壓矢量Vref TS1=2式中，M為調(diào)制度，其表達(dá)式為： M=3V對(duì)于Ⅰ扇區(qū)的其余子扇形，可用同樣的方法求得，這里不再贅述，直接給出當(dāng)參考電壓矢量落在其他子扇區(qū)時(shí)基本電壓矢量的作用時(shí)間，如表3-4所示。當(dāng)參考電壓矢量Vref'落在其他五個(gè)大扇區(qū)時(shí)，假設(shè) TSV式（3-12）中的Vref Vref'式中，Vref為參考電壓矢量Vref'逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)表3-4Ⅰ扇區(qū)基本電壓矢量的作用時(shí)間小扇區(qū)TTT12MT2M22M2MT3TTT4TTT522MT62T2M1.2.3開關(guān)序列確定經(jīng)過前文的基本電壓矢量作用時(shí)間計(jì)算后，需要確定功率開關(guān)管的開關(guān)時(shí)刻，為了降低諧波電流和防止逆變器運(yùn)行過程中發(fā)生空間電壓矢量突變由此帶來的安全性隱患，此時(shí)必須遵循以下原則：（1）逆變器的一個(gè)采樣周期內(nèi)，只允許P、O和O、N這兩種類型的電平切換，不允許P、N電平直接切換，目的是防止因一相橋臂四個(gè)功率開關(guān)同時(shí)動(dòng)作可能造成的短路現(xiàn)象而損壞功率開關(guān)管。（2）逆變器每次空間電壓矢量的變換，只允許一相橋臂的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，這樣能最大程度地降低開關(guān)損耗。（3）NPC型三電平逆變器一個(gè)采樣周期的第一次開關(guān)動(dòng)作應(yīng)統(tǒng)一選擇正小矢量（正小矢量主要包括POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP）或負(fù)小矢量（負(fù)小矢量主要包括ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO），這樣能夠確保各子扇區(qū)基本矢量的平滑切換，避免空間電壓矢量的產(chǎn)生突變，提高直流電壓利用率降低。根據(jù)以上原則可以設(shè)計(jì)出七段式對(duì)稱的發(fā)波順序，以參考電壓矢量落在大扇區(qū)Ⅰ為例，詳見表3-5，本文選擇以正小矢量為首發(fā)矢量。同理可得當(dāng)參考電壓矢量落在空間電壓矢量圖的其他扇形時(shí)的逆變器開關(guān)序列，本文不再單獨(dú)列出。可用圖3-3表示參考電壓矢量落在扇區(qū)Ⅰ時(shí)的七段式發(fā)波序列圖。圖中的T0、T1、T2、T3、T4、T5分別表示圖3-2中對(duì)應(yīng)的5個(gè)基本電壓矢量V0、VS1、VS2表3-5扇區(qū)Ⅰ的開關(guān)序列小扇區(qū)編號(hào)開關(guān)序列1POO-OOO-OON-ONN-OON-OOO-POO2PPO-POO-OOO-OON-OOO-POO-PPO3PPO-POO-PON-OON-PON-POO-PPO4POO-PON-OON-ONN-OON-PON-POO5POO-PON-PNN-ONN-PNN-PON-POO6PPO-PPN-PON-OON-PON-PPN-PPO(a)小扇區(qū)1開關(guān)序列(b)小扇區(qū)2開關(guān)序列