基于matlab的三相三電平逆變器SVPWM算法

摘要：本文介紹了二極管中點(diǎn)箝位式三電平電壓型逆變器為主電路的逆變裝置，詳細(xì)分析了三相三電平逆變器SVPWM傳統(tǒng)算法的原理，詳細(xì)闡述了SVPWM波形發(fā)生的方法，在Matlab/simulink里以三電平逆變器為對象進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與二電平進(jìn)行了比較，結(jié)果證實(shí)了三電平控制方法的有效性和模型的正確性,為三電平逆變器的研究提供了一個(gè)有效的參考。

伴隨著高速列車的引進(jìn)，我國鐵路事業(yè)進(jìn)入了高速時(shí)代，其中對CRH2機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)的研究已經(jīng)有突破性進(jìn)展。該車上的變頻裝置屬于大容量、高電壓變頻裝置，由于目前的單管容量以及傳統(tǒng)的兩電平的控制方式均無法滿足應(yīng)用要求，于是采用三電平控制器，三電平可以使開關(guān)器件承受的壓降降低、改善輸出波形的波形質(zhì)量、減小逆變器和負(fù)載收到的沖擊等優(yōu)點(diǎn)，采用在高速列車動(dòng)車組上。

所謂三電平每相橋臂由4個(gè)電力電子開關(guān)器件串聯(lián)組成，直流回路中性點(diǎn)0(其電位為零)由2個(gè)箝位二級管引出，分別接到上、下橋臂的中間，這樣，每個(gè)電力電子開關(guān)器件的耐壓值可降低一半，故結(jié)構(gòu)更適合于中壓大功率交流傳動(dòng)控制，這也是目前廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三電平中點(diǎn)箝位式逆變器主電路如圖1所示。

圖1 三電平中點(diǎn)鉗位式逆變器主電路

三電平逆變器的Park矢量為

(1)

通常，逆變器利用開關(guān)器件的開通和關(guān)斷經(jīng)由各相只輸出+Udc/2，0，-Udc/2三種電壓，通式(1)變換，輸出電壓矢量僅有27種類型，也就是說逆變器輸出27種基本矢量，如表1所示。這里，一般將幅值為2Udc/3的矢量定義為大電壓矢量，如PNN，PPN;幅值為3 Udc/3的矢量定義為中電壓矢量，如PON;幅值為Udc/3的矢量定義為小電壓矢量，如POO，ONN。以上三類矢量可以分別簡稱為大矢量、中矢量和小矢量。

表1 三電平矢量表

為了實(shí)現(xiàn)三電平逆變器的SVPWM控制，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，應(yīng)分為一下三個(gè)步驟:

(l)區(qū)域判斷。找出合成參考電壓矢量的三個(gè)基本矢量。

(2)時(shí)間計(jì)算。確定三個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，即每個(gè)矢量對應(yīng)的占空比。

(3)時(shí)間狀態(tài)分配。確定各個(gè)基本矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對應(yīng)的作用時(shí)間分配給相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，完成對開關(guān)器件的控制。

1、區(qū)域判斷

傳統(tǒng)算法根據(jù)三電平基本空間矢量圖將整個(gè)矢量空間先分成6個(gè)大區(qū)域，再將每個(gè)大區(qū)域分成4個(gè)小區(qū)域。由于基本空間矢量中的短矢量在每個(gè)采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù)多，為了算法及仿真的準(zhǔn)確性，本文將每個(gè)大區(qū)域細(xì)分成6個(gè)小區(qū)域。

按照這樣的劃分方法，傳統(tǒng)三電平SVPWM算法的區(qū)域劃分如圖2所示。用I 、II、III，IV、V、Vl表示大區(qū)域，用1，2，3，4，5，6表示小區(qū)域。

大區(qū)域按照矢量角度每60°為一區(qū)劃分，因此可以按照參考電壓矢量的角度判斷其所在的大區(qū)域。根據(jù)小區(qū)域的區(qū)域分布情況和幾何關(guān)系，可以按照以下方法判斷參考電壓矢量所在的小區(qū)域。

(一)大區(qū)域的判斷方法和兩電平的基本一致，但這里用了一個(gè)傳統(tǒng)的方法來判斷大扇區(qū)。當(dāng)在電機(jī)上加三相正弦電壓時(shí)，電機(jī)氣隙中產(chǎn)生圓形的磁鏈。然后我們講這個(gè)三個(gè)相差120°的正弦電流按照式(1)進(jìn)行矢量合成 ，然后對 進(jìn)行幅值和相角的變換。這時(shí)得到一個(gè)相角不斷變化的數(shù)值，再利用Matlab中Fun模塊的ceil(ceil：朝正無窮方向舍入)功能對其進(jìn)行大扇區(qū)的判斷。得到扇區(qū)的值N。下面進(jìn)行小扇區(qū)的判斷。

(二)小扇區(qū)的判斷

三、作用時(shí)間計(jì)算

判斷出參考矢量所在的區(qū)域后，根據(jù)伏秒平衡方程組

解出 、 、 即完成了傳統(tǒng)三電平SVPWM算法對基本空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算。

區(qū)域范圍內(nèi)的基本矢量作用時(shí)間如表1所示

解出 、 、 即完成了傳統(tǒng)三電平SVPWM算法對基本空間矢量作用時(shí)間的計(jì)算。

區(qū)域范圍內(nèi)的基本矢量作用時(shí)間如表1所示

表1 基本矢量作用時(shí)間表

跟據(jù)以上表格可以找到規(guī)律如下，大扇區(qū)一三五的作用時(shí)間的變化規(guī)律一樣，大扇區(qū)二四六的作用時(shí)間的變化規(guī)律一樣，就只分析大扇區(qū)一和二。這樣可以得到作用時(shí)間 、 、 ，于是大扇區(qū)第二小扇區(qū)的作用時(shí)間只要調(diào)整下輸出時(shí)間的順序，即按上圖將作用時(shí)間按順序 、 、 的順序輸出。同樣原理，將其他扇區(qū)的仿真模型搭建出來，按照規(guī)律只講輸出的順序調(diào)換一下就可以將作用時(shí)間構(gòu)建出來。用同樣的方法也可以講第二大扇區(qū)的計(jì)算時(shí)間模塊搭建出來。下一步的工作就是根據(jù) 的扇區(qū)位置選擇使用的作用時(shí)間，利用選擇開關(guān)按照小扇區(qū)的作用順序n在內(nèi)部，大扇區(qū)的作用順序N在外部的原則，選擇整個(gè)區(qū)域的作用時(shí)間。

四、時(shí)間狀態(tài)分配

時(shí)間狀態(tài)分配的目的是確定各個(gè)基本矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對應(yīng)的作用時(shí)間分配給相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，生成主電路開關(guān)器件的觸發(fā)波形，完成對開關(guān)器件的控制，是三電平SVPWM算法的關(guān)鍵部分。把負(fù)短矢量作為每個(gè)采樣周期的起始矢量，實(shí)現(xiàn)七段式時(shí)間分配，每個(gè)區(qū)域的基本矢量作用時(shí)間是 、 、 是按照以短矢量為每個(gè)采樣周期起始矢量的次序排列的，因此所有區(qū)域的七段式時(shí)間分配是一樣的，不同的是 、 、 的值。所以每個(gè)區(qū)域都可以用相同的七段式時(shí)間分配仿真模塊。

七段式仿真模塊不是將作用時(shí)間與開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)，而是通過時(shí)間疊加產(chǎn)生含有與矢量狀態(tài)對應(yīng)的時(shí)間信息的梯形波M，作為下一個(gè)矢量狀態(tài)次序仿真模塊的選擇信號或分配信號。根據(jù)狀態(tài)的作用次序原則，每個(gè)采樣周期以負(fù)短矢量作為起始矢量，以0，1，2表示矢量狀態(tài)n，o，p，則表2為矢量狀態(tài)次序仿真數(shù)據(jù)表中扇區(qū)一和二的次序。

表2 大扇區(qū)一和二的矢量狀態(tài)次序表

矢量狀態(tài)次序仿真模塊是層層包含，逐層深入的結(jié)構(gòu)，從里向外第一層是小區(qū)矢量狀態(tài)次序，第二層是大區(qū)內(nèi)的小區(qū)選擇，第三層是整個(gè)區(qū)域的矢量狀態(tài)次序，模型特點(diǎn)是大量使用SIMULINK的多路選擇開關(guān)器件排列矢量狀態(tài)次序和判斷所在區(qū)域最后進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

總結(jié)以上仿真模型，我們可以很得到總的仿真模型如下

仿真結(jié)果

加入三電平逆變橋和永磁同步電動(dòng)機(jī)后，測得輸出線電壓波形如下所示。同步電機(jī)參數(shù)如下：Rs=18.7,Ld=0.02682H,Lq=0.02682H,J=2.26e-5Kg.m^2,F=1.349e-5N.m.s,p=2,負(fù)載在t=0.04s時(shí)加入轉(zhuǎn)矩T=0.5。為了與兩電平帶永磁同步電機(jī)的輸出特性曲線相比較，加入兩電平輸出特性曲線如下，電機(jī)參數(shù)不變。仿真波形如下：

1、線電壓區(qū)別

2、帶負(fù)載后轉(zhuǎn)矩區(qū)別

注：三電平的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯比兩電平的要小

3、THD含量

結(jié)論：

在該論文中用仿真軟件完成了兩電平電路于三電平電路進(jìn)行比較，并分別引入永磁同步電機(jī)，仿真比較結(jié)果如下：1、三電平的電磁轉(zhuǎn)矩帶有更少的脈動(dòng) 、2作用時(shí)間更快 3、三電平加入的直流電壓的比兩電平的小了一倍 4、三電平輸出的功率大，可以使電動(dòng)機(jī)更快的達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。最后使用Powergui進(jìn)行了FFt分析，三電平的THD明顯下降比兩電平的要小，說明諧波含量降低。

總結(jié)

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