三电平SVPWM逆变器中点电压平衡的研究

摘 要：文章简要分析了中点钳位式三电平逆变器的基本原理，提出了一种平衡中点电位的新方法，并运用TMS320F2407实现了全数字化控制系统，最后通过仿真验证了该方案的正确性。
关键词：中点钳位；三电平逆变器；DSP
引言
多电平逆变器由于具有效率高、动态性能好、对电动机产生的谐波较少，适合高压大容量等优点，在高压大容量交流调速领域得到了广泛的运用。
三电平(NPC)逆变器的中点电位平衡问题已经被越来越重视，本文简单介绍一种平衡中点电位的新方法。

三电平逆变器的基本原理
如图1所示，三电平逆变器每一相桥臂的4个开关元件Sx1, Sx2, Sx3, Sx4(x=a,b,c)有3种正常的开关模式。当Sx1和Sx2触发导通时，X相输出正电平，Sx2和Sx3触发导通时，X相输出零电平，Sx3和Sx4触发导通时，X相输出负电平，三电平分别用1、0、-1表示，其中4个功率元件的驱动信号满足条件：Sx1=， Sx2=。NPC开关逻辑和空间电压矢量图如图2所示。其中：

中点电位控制的新方法
如图3所示，把三电平逆变器空间矢量图看成由六个小六边形组成，s的值(1，2，3，4，5，6)分别代表小六边形。每个小六边形则代表通常的两电平逆变器的空间矢量图，从而使三电平逆变器向两电平逆变器转换，便于对三电平逆变器空间矢量的分析。
根据给定的参考电压矢量的位置，在六个小六边形中选择一个六边形，使参考电压矢量处于所选六边形的内部。从图3可以看出，两相邻六边形在某些区域是相互重叠的，参考电压矢量在这些区域时s 有多个值。如在图4中，S12所指三角形区域时s的值为1或2。当s=1时，Vref减去点(POO)的矢量V0即得V1，经过这样的矢量变换，原始参考矢量Vref的原点就会转换到所选六边形的中心点(POO)，从而使三电平矢量向两电平矢量转换。
三电平相电压向量[Va ,Vb ,Vc]的关系式为：

其中a1、b1、c1分别为开关变量，可表示为1，0，-1，因而短矢量(即所选六边形中心电压矢量)位置的相电压向量可以确定，如点(POO) 处的相电压向量分别为： Va=Vdc/3,Vb=Vc =-Vdc/6；点(PPO)的相电压矢量为：Va=Vb=Vdc/6，Vc=- Vdc/3；点(OPO)的相电压矢量为：Va=Vc=-Vdc/6，Vb=Vdc/3等等，由此可得各六边形中心点的矢量值。
s的值确定后，参考电压矢量的原点就可以转移到所选六边形的中心位置。从图4中可以看出，当s=1时，参考电压矢量 减去所选六边形的中心矢量V，就可以得到修正电压矢量 ，如表1所示。
在三电平逆变器空间矢量中大矢量不影响电容电压波动，因而对中点电位平衡没有影响。只有中、小矢量对中点电位有一定的影响，所以当参考电压矢量位于相邻小六边形重叠的区域，中点电位可以通过改变开关次序来控制。如图4所示，s值为1或2，当s=1时根据最近三矢量(NTV)原则，开关次序为：(POO)→(PON)→(OON)→(ONN)。此时若负载电流从电容器流出，则负载电流将使电容C2放电VC2↓，C1充电VC1↑，电压误差△V = VC1- VC2>0；当s=2时，开关次序为：(PPO)→(POO)→(PON)→(OON)。若负载电流从电容器流出则使电容C1放电VC1↓，C2充电VC2↑，电压误差△V=VC1- VC2<0。从以上分析可知，根据电压误差以及三相电流方向，只要改变s的值(加1或减1)就可以有效地控制中点电位平衡。

矢量作用时间的计算及其时序图
图5所示三边形由电压矢量V0、V13、V14组成，且被划分为4个小区域1、2、3、4。如果参考电压矢量Vref位于区域2，以电压矢量V13为参考轴，则各电压矢量及参考电压矢量的关系如下：
V1= (1)
V7= (2)
V2= (3)
Vref=V (4)
又由两电平逆变器可知，空间矢量PWM满足以下两个等式：
V1