发布时间：2021-09-02所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 电测与仪表
《基于矢量分解的多电平逆变器简化SVPWM算法》论文发表期刊：《电测与仪表》；发表周期：2021年06期
《基于矢量分解的多电平逆变器简化SVPWM算法》论文作者信息：郭佳才( 1988—) ，男，湖南郴州人，工程师，硕士，主要从事多电平变换器方面的研究。
摘要: 为进一步提升多电平逆变器空间矢量脉宽调制( Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM) 算法的计算效率，并增强其拓展性，提出了一种基于矢量分解的简化算法。介绍了一种基于虚拟作用时间的两电平 SVPWM 算 法，不需经过区域判断即可实现基本电压矢量作用时间的统一计算，从而减少算法计算量; 通过将参考矢量分解为多电平基本矢量和两电平参考矢量，将多电平空间中电压矢量的合成转化到两电平空间下进行，从而简化多电平SVPWM 算法的实现。采用该算法生成多电平基本矢量作用序列及计算其作用时间的复杂度与电平数无关，扩展性较强，便于将其应用于多电平逆变器中。通过三相五电平 NPC /H 桥逆变器的 PSCAD 仿真及三电平逆变器的样机实验证明了所提方法的有效性。
关键词: 多电平逆变器; SVPWM; PSCAD
Abstract: In order to further improve the computational efficiency and enhance extensibility of space vector pulse width modulation (SVPWM) algorithm for multilevel inverters, a simplified algorithm based on vector decomposition is proposed in this paper. Firstly, this paper presents a novel two-evel SVPWM algorithm based on virtual time, with a unified calculation method to determine the action time of the basic voltage vector. This algorithm can avoid regional judgment, reducing the amount of computation. Then, the implementation of the proposed multilevel SVPWM algorithm is introduced in detail by decomposing the reference vector into multilevel basic vector and two-evel reference vector, the synthesis of voltage vector in multilevel space is transformed to two-evel space. The complexity of generating the sequence of multileve basic vector and calculating its time of action has nothing to do with the specific level of the inverter, which has strong expansibility and is prone to be used in multilevel inverters. The effectiveness of the proposed method is proved by the PSCAD simulation of a three-phase five-Hevel NPC/H bridge inverter and the prototype experiment of the threedevel NPC inverter.
Keywords: multilevel inverters, SVPWM, PSCAD
0 引 言
在中、高功率领域中，多电平逆变器的应用日渐广泛[1-2]。多电平逆变器输出电压是由多电平直流电压合成，因此其输出电压波形比二电平逆变器更平滑。在多电平逆变器脉冲宽度调制( PWM) 技术中，应用最广泛的是 SPWM 和 SVPWM。
载波移相调制技术( Carrier Phase-shifted Sinusoidal Pulse Width Modulation，CPS-PWM) 因具有原理简单，易于实现等特点被用于对模块化多电平逆变器进行控制等场合[3-4]。与 SPWM 相比，SVPWM 具有直流电压利用率高、易于数字化实现等优点[5]，各种具有特定功能的 SVPWM 算法相继被提出[6-7]。一般来说，SVPWM的实现包括电压参考矢量的扇区识别、开关时间计算、确定开关矢量和切换顺序等步骤4]。由于基本电压矢量的数量与输出电平数之间满足三次方关系，随电平数增多，算法中开关状态作用时间计算等步骤的程序耗时急剧增加，导致传统SVPWM算法仅适用于输出电平数较低的场合[0。因此，多电平SVPWM的简化实现引起了众多学者的研究。对于扇区判断，可以通过采用坐标变换[12或多次比较三相参考电压回等方式来实现。最优矢量切换顺序可用查表法确定回，而基本矢量作用时间的计算可通过将多电平参考矢量映射到三电平空间下的电平转换技术来减小计算量[1。更进一步地，为简化开关状态的确定，使基本矢量与开关状态一一对应，避免冗余现象，文献[4]中提出了一种基于三维空间实现的多电平SVPWM算法。
为简化多电平SVPWM算法的实现，本文在文献05]的研究基础上，进一步简化了多电平参考矢量所在区域的判定以及两电平空间下开关矢量的作用时间计算和作用顺序确定等步骤。该方法首先根据参考矢量的幅值和相位，确定用于进行矢量分解的多电平基本矢量，进行矢量分解：然后，利用基于虚拟作用时间的两电平SVPWM算法来得到两电平优化开关序列;最后，结合多电平基本矢量，通过开关状态反修正得到多电平开关状态序列。利用PSCAD仿真与样机实验证明了本文理论的正确性。
1 基于虚拟作用时间的两电平调制算法
1. 1 具体实现方法
两电平电压矢量空间如图 1 所示。
将表1与文献5]中根据传统两电平SVPWM算法计算所得基本矢量优化作用序列完全一致。
综上，采用本文所设计的基于虚拟作用时间的两电平SVPWM算法，无需传统两电平算法中的参考矢量区域判定：采用统一的计算公式直接根据参考矢量得到各基本矢量的作用时间，生成优化开关状态序列，省去按区调整作用时间计算方式的步骤。
2多电平SVPWM简化算法
本节将以五电平逆变器为例来详细说明本文所设计多电平SVPWM简化算法的具体实现思路。
2.1基本电压矢量
用数字组合"y2"来表示三相五电平逆变器A、B C各相输出相电压的电平状态，其中，xy、z分别可取0.1.2.3.4五种电平状态"0"代表该相此时的输出电压为"-v./2"电平状态;类似地"1"代表“-V4/4"电平状态："2”代表"0"电平状态"3”代表“V44"电平状态"4"代表"V/2"电平状态。从而，五电平电压矢量空间可表示如图3所示。图3中，各矢量所对应的开关状态均只写出一个。
2. 2 矢量空间分区及基本矢量选取
对于图 4 中的每一层，将该层外接正六边形上的所有三角形顶点与正六边形的中心连接起来，将该层划分为若干个区域，并且合并六边形六个顶点附近的两个区域，据此对整个矢量空间中的各层进行分区。 以 L3和 L4层为例，其分区情况分别如图 5( a) 、图 5( b)所示，其他层可同理划分。
为实现矢量分解，需确定各个分区中所要用到的多电平基本矢量。基本矢量的选取原则为：各个区域中，以基本矢量顶点为中心的两电平六边形空间组合起来应覆盖整个分区，使得当参考矢量顶点落在该区域时，总能找到一个多电平基本矢量，将参考矢量分解为该基本矢量与一个两电平矢量。根据该原则，在五电平SVPWM中，对于1，和1，层，本文所选取的多电平基本矢量如图5所示。对于空间中的其他分区，可同理选取相应的多电平基本矢量。
2.3简化算法
根据前述区域划分方法，对于五电平空间中线性调制范围内的任意参考矢量V，均可用有序组合
"LxSx"来唯一确定其所在区域。
假定某一时刻V，位于图5所示LS，区域，结合图3与图5，可知此时用于对V，进行分解的多电平基本矢量V。为"330"，在确定V。之后，经下式计算得到两电平空间下的参考矢量V：
在得到V，之后，再利用本文第一节所介绍两电平SVPWM算法计算得到两电平优化开关状态序列。然后，结合上v。经开关状态反修正即得多电平开关序列。
对于图4中矢量V，经矢量分解后所得的v，位于图1中的区域111因此与其对应的两电平开关序列为：
(000)→(010)→(011)→(111)→(011)→(010)(000)。将此序列加上V。所对应的电平状态"330"，即得五电平开关序列：(330)→(340)→(341)→(441)→(341)→(340)→(330)，开关序列经驱动电路放大后用于对逆变器进行控制
综上，本文所设计的多电平SVPWM简化算法的实现步骤如下：
(1)针对具体的N电平逆变器，对其电压矢量空间进行分区，也即确定好1，和S，;
(2)确定各分区"L，S，"中的N电平基本矢量
(3)根据给定的N电平参考矢量V，利用其幅值和相角确定出其所属分区"L，S，"，从而找到相对应的N电平基本矢量Vo：
(4)经矢量减法得到两电平参考矢量v，通过采用基于虚拟作用时间的两电平调制算法计算出两电平空间下的开关序列：
(5)利用Vo，经开关状态反修正即可得N电平开关序列。
需要指出的一点是，上述步骤中(1)和步骤(2)为基本准备工作，在具体应用时应事先完成。
3仿真与实验验证
3.1五电平仿真验证
为验证本文所设计方法的正确性和有效性，搭建了三相五电平NPC/H桥逆变器PSCAD仿真模型，具体仿真参数为：直流侧电压600 v，开频率20 kHz，三相电阻负载50 2，滤波电感20 mH，三相参考电压频率50 Hz。考虑到验证的全面性，本文在高低两种调制度下进行了仿真实验，仿真结果如图6、图7所示。
分析图6可知，当m=0.173时，参考矢量位于L，层，此时逆变器A相输出电压相对直流侧中点只有"1"、"2、"3”三种电平状态，AC线电压为5电平，负载相电压约为60 V：随着调制度的上升，参与合成参考矢量的基本矢量中所含的电平状态种类有所增加，根据图7，当m=0.6时，逆变器A相输出电压相对直流侧中点呈现五电平，AC线电压为9电平，负载相电压约为210V。所得仿真结果的波形效果与文献[6]中采用基于三电平简化的多电平SVPWM算法基本一致。
3.2 三电平实验验证
为进一步验证文中理论研究的正确性，利用三电平逆变器样机进行实验验证。实验参数与3.1节仿真设置相同。实验时，利用Boost三电平斩波器来平衡直流侧中点电位，保证逆变器正常工作。
在不同调制度下，分别统计本文所提算法和传统算法[7]的程序各执行1200次的用时，求出单次平均用时，实验结果如图 8 所示。
根据图 8 可知，在整个线性调制范围内，所提算法的程序执行时间较传统算法缩短约 55% 。
当设置参考矢量的幅值为 100 V 时，所得调制实验结果如图 9 所示。
由图 9 可知，在本文所设计多电平 SVPWM 简化算法的 控 制 作 用 下，逆变器的输出电压波形品质良好。
综上，通过仿真与实验验证，可知本文所设计多电平SVPWM简化算法在保证输出波形质量与传统多电平SVPWM算法相同的同时，可降低算法复杂度，减少程序耗时。
4结束语
本文对传统多电平逆变器的SVPWM算法在拓展性、计算效率方面的不足进行针对性研究，提出一种基于矢量分解的简化算法，经理论分析与仿真、实验验证，得出以下结论：
(1)本文提出一种基于虚拟作用时间的两电平SVPWM算法，可直接根据两电平参考矢量三相电压值生成开关序列，无需区域判断，可以避免视区域情况分配基本矢量的作用时间等步骤，从而提高了计算效率
(2)以(1)中所述两电平算法为基础，提出一种适用于N电平逆变器的SVPWM简化算法。该算法中，基本矢量作用时间的计算与电平数无关，拓展性较强;
(3)本文所提算法可减少程序执行时间，降低对控制器的运算速度要求，适用于需要使用电平数较高的多电平逆变器应用场合。
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