一種多電平SVPWM算法的研究

李高峰，楊泰朋，李俊杰，戴鵬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

一種多電平SVPWM算法的研究

李高峰，楊泰朋，李俊杰，戴鵬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣學(xué)院，江蘇 徐州 221008）

分析了二極管箝位型五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理。研究了一種基于線電壓坐標(biāo)系的簡(jiǎn)化SVPWM算法。該算法無(wú)需進(jìn)行扇區(qū)判斷，只需要判斷小三角形的方向和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，就可以確定合成參考電壓矢量的三個(gè)基本電壓矢量及其作用時(shí)間，提高了計(jì)算的速度。對(duì)基于線電壓坐標(biāo)系的五電平SVPWM算法進(jìn)行仿真研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。

五電平；線電壓坐標(biāo)系；空間矢量脈寬調(diào)制

自1980年二極管箝位型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出以來(lái)[1]，多電平逆變器就受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其中以日本學(xué)者提出的二極管中點(diǎn)箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最具代表性[2]。但隨著電平數(shù)的增加，多電平逆變器的控制也愈加復(fù)雜，因此需要尋求一種快速、通用的SVPWM控制策略。

傳統(tǒng)五電平SVPWM算法十分復(fù)雜，因此難以得到實(shí)質(zhì)性的運(yùn)用。為了降低算法的復(fù)雜性，學(xué)者提出了一種基于線電壓坐標(biāo)系的空間電壓矢量PWM控制方法[3-5]。該算法將、、三相坐標(biāo)系變換到、、三相線電壓坐標(biāo)系上，選取了物理意義比較明確的線電壓坐標(biāo)系[6]，而且該算法不需要大量的計(jì)算及查表，提高了計(jì)算速度，通用性強(qiáng)，適用于多電平空間電壓矢量PWM的控制。

本文將線電壓坐標(biāo)系下的SVPWM算法運(yùn)用到二極管箝位型五電平逆變器中，進(jìn)行了Matlab仿真和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的可行性。

1 二極管箝位型五電平逆變器的工作原理

圖1 二極管箝位型五電平逆變器相主電路

2 五電平空間電壓矢量分析

三相五電平逆變器每相的輸出有5個(gè)電平，因此五電平逆變器共有53=125種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其中最長(zhǎng)電壓矢量有6個(gè)，中間電壓矢量共有114個(gè)，零電壓矢量共有5個(gè)。五電平空間電壓矢量圖如圖2所示，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的冗余度從里到外依次減少，中間密集度最大。

圖2 α-β坐標(biāo)系下五電平逆變器空間電壓矢量圖

根據(jù)電壓矢量的合成公式：

由式（1）可知，125種開(kāi)關(guān)狀態(tài)將五電平逆變器空間電壓矢量圖分解成96個(gè)小三角形。

3 線電壓坐標(biāo)系SVPWM算法

在圖2中，每個(gè)小三角形都是等邊三角形，為了利用這一特性，選擇線電壓坐標(biāo)系。這樣一來(lái)，任意小三角形的3條邊都垂直于坐標(biāo)軸、及，參考電壓矢量的頂點(diǎn)到所在三角形3條邊上的距離等于參考矢量在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影。

該算法流程如圖3所示。

圖3 算法流程圖

3.1 建立線電壓坐標(biāo)系

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后得到線電壓坐標(biāo)系下的電壓矢量圖如圖4所示。

圖4 線電壓坐標(biāo)系下五電平空間矢量

3.2 基本電壓矢量選擇及作用時(shí)間計(jì)算

確定好參考電壓矢量的投影后，對(duì)投影的坐標(biāo)向上向下取整就可確定參考電壓矢量所在的小三角形，3個(gè)基本電壓矢量就可以確定下來(lái)。如下：

式中：floor為向下取整，ceil為向上取整。

圖5 參考矢量對(duì)應(yīng)的兩類小三角形

3.3 將矢量映射為開(kāi)關(guān)狀態(tài)

該算法最大的優(yōu)點(diǎn)在于它可以將所選擇的電壓矢量映射為三相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。因此，設(shè)在線電壓坐標(biāo)系下電壓矢量為(a,?,c)，該矢量對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)則：

表1 圖5(a)所示三角形頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

4 仿真研究

圖6 不同調(diào)制度下的仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文搭建了基于DSP和FPGA的控制系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。DSP完成基本電壓矢量的確定、作用時(shí)間的計(jì)算和各開(kāi)關(guān)管脈沖寬度的計(jì)算。通過(guò)TMS320F28335的EPWM控制發(fā)出獨(dú)立的三相上橋臂不帶死區(qū)的12路PWM脈沖；FPGA完成PWM脈沖的取反擴(kuò)展和死區(qū)添加，輸出24路帶有死區(qū)的PWM脈沖。主電路直流側(cè)采用4個(gè)1 800μF/400 V的電解電容進(jìn)行分壓；吸收電路采用RCD型，電容為0.2μF/630 V的無(wú)感電容，電阻為10W、27 kΩ的功率電阻；開(kāi)關(guān)管采用IRF840型MOSFET；驅(qū)動(dòng)芯片采用HCPL316J；二極管采用MUR860超快恢復(fù)二極管。

最后在二極管箝位型五電平實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，采用電能質(zhì)量分析儀對(duì)直流側(cè)電壓為220 V、調(diào)制度為0.8、輸出頻率為50Hz下的線電壓波形進(jìn)行觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了SVPWM算法及系統(tǒng)的可行性和正確性。

圖7 線電壓波形

6 結(jié)論

本文介紹了五電平逆變器基本工作原理，分析了一種基于線電壓坐標(biāo)系的SVPWM算法，該算法適用于多電平變換器的PWM控制。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要進(jìn)行扇區(qū)判斷，只需要判斷小三角形的方向和簡(jiǎn)單的運(yùn)算，就可以確定合成參考電壓矢量的3個(gè)基本電壓矢量及其作用時(shí)間，因此避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算。本文還針對(duì)該算法進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果驗(yàn)證了改算法的有效性。

[1]NABAE A,TAKAHASHII,AKAGIH.A new neutral point clamping PWM inverter[J].IEEE Trans on Industrial Application,1981,17(5): 518-523.

[2]鄧焰，葉浩屹.完全的無(wú)源軟開(kāi)關(guān)功率逆變器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17(1)：40-46.

[3]孟永慶，劉正，蘇彥民.新型三電平逆變器SVM方法的研究[J].電氣傳動(dòng)，2005，35(7)：35-37.

[4]朱洪順，符曉，戴鵬.基于FPGA的三電平SVPWM新型算法的實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng)，2011，41(11)：29-31.

[5]曾允文.變頻調(diào)速SVPWM技術(shù)的原理、算法與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]王琛琛，李永東，高躍.基于通用多電平SVPWM算法的三電平無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(9)：108-110.

A kind ofmulti-level SVPWM algorithm

LIGao-feng,YANG Tai-peng,LIJun-jie,DAIPeng

The topology and the operating principle of diode clamped five-level inverterwere analyzed.A simplified SVPWM algorithm based on the line voltage coordinates was studied.This algorithm did not need the judgment of sectors,itonly needed to judge the direction of the triangle and simp le operation to determ ine the three basic voltage vectors and action time of synthesizing reference voltage vector,greatly increasing calculation speed.The simulation study and experimental verification of five-level SVPWM algorithm based on the line voltage coordinates was conducted,and the results prove the validity of the algorithm.

five-level;line voltage coordinates;SVPWM

TM 464

A

1002-087 X(2014)05-0927-03

2013-10-25

李高峰（1988—），男，江蘇省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。