【摘" 要】為解決NPC三電平逆變器傳統(tǒng)SVPWM調制方法在低調制比時輸出電流諧波大的問題，提出基于60°坐標系下改進的一種空間電壓基本矢量排序方式。該方法在第1、2小扇區(qū)采用零矢量作為首發(fā)矢量，降低相電流波形畸變的同時提高對中性點電壓的平衡控制能力。最后通過搭建Simulink仿真模型驗證該方法的有效性。

【關鍵詞】NPC三電平逆變器；SVPWM；低調制比；相電流波形

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0043-03

Research on Method of Modulation Algorithm of NPC Three-level Inverter at Low Modulation Ratio

XU Yamei，ZENG Pin，MIAO Qiang

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】An improved space basic vector ordering method based on 60° coordinate system is proposed to solve the problem that the output current harmonics of traditional SVPWM modulation method of NPC three-level inverter are high at low modulation ratio. Zero vector is used as the first vector in the first and second small sectors，which reduces the distortion of phase current waveform and improves the balance control ability of neutral voltage. Finally，the effectiveness of the proposed method is verified through Simulink simulation.

【Key words】NPC three-level inverter；SVPWM；low modulation ration；phase current wave

多電平逆變器是在1981年由Nabae等人提出的“中點鉗位PWM逆變器”的基礎上發(fā)展起來的，其后在高壓大功率變頻調速器方面得到了廣泛應用。由于三電平逆變器與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比具有更適應大功率、高壓的場合，降低開關損耗等優(yōu)點，越來越受各國學者的關注，其控制手段也成為一個熱門課題。不同的調制方法各有優(yōu)缺點，也適用于不同的場合，在各種PWM方法中，由于SVPWM以瞬時空間矢量為控制量，最適合用于高動態(tài)性能的控制方法，如矢量控制、直接轉矩控制等[1]。鑒于此，本文以NPC三電平逆變器SVPWM方法為研究對象，探索低調制比狀態(tài)下有效的調制方法。

1" NPC三電平逆變器

NPC（Neutral Point Clamped）三電平逆變器拓撲結構如圖1所示。這種電路也稱為中點鉗位型逆變電路，選用的是IGBT，該電路的每一相橋臂有4個開關元件、4個續(xù)流二極管和2個鉗位二極管，2個串聯(lián)器件的中點通過鉗位二極管和直流側電容的中點相連接。鉗位二極管的作用是把輸出電平鉗位在零電位，使每個功率器件上承受的電壓限制在Udc/2，通過一定的邏輯算法控制每相橋臂中4個IGBT的開通與關斷，在輸出側合成三電平實現逆變。

2" 基于60°坐標系SVPWM算法的研究

2.1" 空間電壓矢量正六邊形分布

根據每相不同開關狀態(tài)下的組合，NPC型逆變器單相在正常工作時提供三種電平。以A相為例，表1列出來輸出電壓與不同開關組合的對應關系。

SVPWM調制技術是依據逆變器空間電壓矢量切換來控制逆變器的一種控制策略，用不同開關組合狀態(tài)使交流電機獲得近似圓形的磁通矢量軌跡。在α-β平面上NPC型逆變器的空間電壓矢量分布如圖2所示。

圖2中，根據空間電壓矢量的幅值，可以分為4類矢量：零矢量（0）、小矢量（Udc / 3）、中矢量（■Udc / 3）、大矢量（2Udc / 3），矢量分類見表2。

2.2" 基于60°坐標系SVPWM算法的實現

2.2.1" 坐標變換

建立60°坐標系（ g-h坐標系），將平面直角坐標系下的矢量變換到該坐標下，實現運算方式的簡化。將參考電壓矢量Vref從α-β坐標系變換到 g-h坐標系，可得：

對Vref進行歸一化處理，電壓基準值為Udc / 3，可得：

2.2.2" 大扇區(qū)判斷

歸一化變換后根據Vg*、Vh*邏輯運算比較判斷出參考矢量電壓處于哪個大扇區(qū)。定義3個變量A、B、C，通過分析可以得出：若Vg*＞0，則A=1，否則A=0；若Vh*＞0，則B=1，否則B=0；若Vg*+Vh*＞0，則C=1，否則C=0。

令N=4C+2B+A，則可以得到與扇區(qū)的關系，見表3。

2.2.3" 小扇區(qū)判斷

在大扇區(qū)判斷完畢后，可以通過旋轉的方式，將其他大扇區(qū)全部旋轉到1扇區(qū)進行小扇區(qū)判斷。以2號大扇區(qū)旋轉到1號為例，具體對應關系如圖3所示。

可以得到其他5個大扇區(qū)內參考電壓矢量旋轉到第1大扇區(qū)的變換關系為：

經過旋轉變換后只需判斷Vref在1號大扇區(qū)的位置。1號大扇區(qū)的6個小扇區(qū)劃分示意如圖4所示。

參照圖4，可以根據Vg*、Vh*的數量關系得出參考電壓矢量的小扇區(qū)分布，見表4。

2.3" 基本電壓矢量作用時間計算

在任意一個空間矢量脈寬調制周期Ts內，按照三矢量原則，Vref將通過其所處位置最近的3個基本電壓矢量Vx、Vy、Vz來合成。按照伏秒平衡原理，計算得到每個矢量的保持時間，其關系為：

式中：Tx、Ty、Tz——各基本電壓矢量的作用時間。

2.4" 空間矢量作用順序

本文采用7段式SVPWM，遵循P狀態(tài)禁止直接變換到N，以O狀態(tài)作為過渡狀態(tài)的原則進行開關動作。在此原則下，當前技術基本采用在每個控制采樣周期內，以正、負冗余小矢量作為首發(fā)矢量[2-3]。表5為第1大扇區(qū)的開關序列。

3" 改進的SVPWM調制及仿真驗證

本文提出一種改進的SVPWM調制方法，在每個大扇區(qū)的第1、2小扇區(qū)采用首發(fā)矢量為零矢量，其他小扇區(qū)開關序列同上述傳統(tǒng)SVPWM方法。以第1大扇區(qū)的為例，見表6。

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建NPC三電平逆變器及控制模型。所采用的仿真參數為：直流側輸入電壓311V，直流分壓電流C1=C2=0.0047F，仿真步長2e-6s，三相對稱負載電阻10Ω，電感15mH。當調制比較低時，即參考電壓矢量運行在每個大扇區(qū)的第1、2小扇區(qū)，分別采用傳統(tǒng)和改進后的SVPWM調制方法進行仿真。圖5為中性點電壓波動圖，可以看出隨著時間的延長，傳統(tǒng)SVPWM低調制比狀態(tài)下中性點電壓偏離越來越嚴重；改進后的SVPWM在低調制比狀態(tài)下中性點電壓變化緩慢。

圖6為輸出側相電流波形圖，傳統(tǒng)SVPWM在低調制比狀態(tài)下相電流畸變嚴重，總諧波畸變率為5.09%；改進后SVPWM總諧波基波率為0.66%，降低了87%；由于改進后SVPWM中性點電壓偏移小，故輸出相電流基本沒有偶次諧波，5次、7次諧波也明顯降低。由此可知，本文所用算法在低調制比時能夠明顯降低相電流畸變，而且基本不會帶來中性點電壓偏移，可以滿足預期要求。

4" 結束語

本文介紹了NPC三電平逆變器傳統(tǒng)SVPWM調制方法，并針對低調制比工況提出了一種改進的SVPWM算法。經過仿真測試，驗證了本文提出的調制方法在低調制比工況下的有效性，所提出的調制策略可以推廣應用到三電平逆變器SVPWM算法中。

參考文獻：

[1] 楊國良，李建雄. 永磁同步電機控制技術[M]. 北京：知識產權出版社，2015.

[2] 李玥，黃孫偉，徐川. 60°坐標系下三電平逆變器中性點電壓平衡策略研究[J]. 內蒙古電力技術，2020，38（5）：43-48.

[3] 薛艷平. 三電平逆變器的PMSM驅動控制系統(tǒng)研究與設計[D]. 西安：西安工業(yè)大學，2022.

（編輯" 楊凱麟）

作者簡介

徐亞美（1988—），女，高級工程師，碩士，主要從事電驅系統(tǒng)控制開發(fā)工作。