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●●●●・…・ 测试技术卷 Ｔｅｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 下面以ｕ相为例，说明三电 平电路的相电压输出的三种（Ｐ、 ０、Ｎ）状态及各状态间的切换。 ３．ＳＶＰｗＨ原理 ３．１原理简介 ＳＶＰＷＭ法就是用逆变器输出 相电压的平均矢量去逼近某一空 空间矢量共有２７个不同的矢量组 成（如图２所示），其中，大六边 形的６个顶点为６个大矢量所在的 位置，小六边形的每个顶点代表 两个矢量（Ｐ型小矢量和Ｎ型小矢 量），因此小矢量共有１ ２个矢量 且总是成对出现，它们对中点电 压的作用刚好相反，这种特性在 （１）给Ｔ 、Ｔ：导通触发脉冲， Ｔ。、Ｔ 关断时：如负载电流为流 入方向（相对于负载），则电源对 间电压矢量 。 以某一角频率 在空间旋转，当它旋转到六角空 间电压矢量图的某个小区间时， 系统选中该区间的基本电压矢量 中所需的矢量，并以此矢量所对 电容Ｃ 充电，电流流过主管Ｔ 、 Ｔ。，忽略管压降，该相输出端电 压Ｕ：Ｅ。 ／２；如负载电流为流出方 中点电压平衡的控制中将会得到 应用。零电压矢量由３个矢量组 成，且都位于六边形的中点，其 余的矢量是六个中矢量。这些矢 量可由如下的公式来表示： 向，电流流过与主管Ｔ 、Ｔ。并联 的续流二极管对电容Ｃ 充电，则 该相输出端电压是ｕ＝Ｅ。 ／２。 （２）给Ｔ 、Ｔ ３导通触发脉 ● 冲，Ｔ 、Ｔ 关● ● 为流入● ● 应的状态去驱动功率开关元件动 作。当控制矢量旋转到下一个小 区间时，又选中对应区间的相应 电压矢量，并以其对应的状态去 断时；如负载电流 驱动功率开关元件动作……。当 控制矢量在空间旋转３６ ０。后， 变频器就能输出一个周期的正弦 波电压。 方向，则电源对电容Ｃ 充 ：詈ｌｆ Ｕ 。＋ 孛 ＋ 。Ｐ 『１ ： ： ： ： 电，电流流过钳位二极管Ｄ 、主 管Ｔ。，此时该相输出端电压Ｕ＝０； 其中，Ｕ 。、Ｕ Ｕ 。分别为 Ａ、Ｂ、Ｃ三相电压相对于直流侧 中点０的输出电压。 如负载电流为流出方向，电流流 过与主管Ｔ ，再流过钳位二极管 Ｄ。，电源对电容Ｃ。充电，则该相 输出端电压是Ｕ＝０。 ３．２六角形空间电压矢量图 六角形空间电压矢量图是利 用空间电压矢量的概念来描述三 电平ＰＷＭ逆变器输出电压内在关 系的一种图形。 在三电平逆变器中，若Ａ相 的状态是Ｐ，则表示三电平逆变 器Ａ相桥臂中Ｓ 、Ｓ。开通；若Ａ相的 状态是０，则表示三电平逆变器Ａ 相桥臂中Ｓ。、Ｓ。开通；若Ａ相的状 态是Ｎ，则表示三电平逆变器Ａ相 桥臂中ｓ。、Ｓ 开通。 （３）给Ｔ。、Ｔ 导通触发脉冲， Ｔ 、Ｔ。关断时：如负载电流为流 入方向，则电源对电容Ｃ。充电， 电流流过主管Ｔ。、Ｔ ，该相输出 端电压Ｕ＝一Ｅ。 ／２；如负载电流为 流出方向，电流流过与主管Ｔ。、 二极管钳位式三电平逆变器 的拓扑结构，每相的开关状态均 有三种一１（Ｎ）、０（０）、１（Ｐ）， 对应交流侧输出电压为一Ｅ、０、 Ｅ，对三相对称系统来说，共可 组合成３３（２ ７）种开关状态，而 ３．３空间矢量调制原理 （１）判断Ｖ…所在的扇区 Ｔ 并联的续流二极管对电容Ｃ。 充电，则该相输出端电压是Ｕ： 一ＳＶＰＷＭ的首要任务就是判断 参考电压矢量位于哪个区域及该 区域中的哪个小三角形，然后就 可以依此确定出相应的输出电压 Ｅ ／２。 每一种开关状态对应一个电压空 间矢量，因此三电平逆变器电压 Ｐ 矢量。首先，根据如下方法确定 Ｊ ＮＰＮ ＵＤ ＯＰＮ ＤＤＩ￣，Ｉ ／ ｌＪ／＼ｓｐｏ＼』 』＿ ． Ｑ ｌＯＰ＼ＮＮｏ八 ＡＯＮＯ／ＰＮＯ ．７＼７ ＰＮＰ ＮＮＰ ＯＮＰ Ｑ 鬻霹 三毛 虿蔓 毛 三 苹莲 蠢 电压矢量分布图 ２ Ｏ Ｏ ８第Ｏ ２期 音质量ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＱＵＡＬＩＴＹ 维普资讯 http://www.cqvip.com
测试技术卷 值， ４。 ｌ墅蛋● ●皇■一 —●疆 Ｔｅｓｔ Ｉ ｅｃｈｎ０１０ｇＹ 出该矢量位于如图２所示的六个 与六个扇区对应。如图 判断Ｖ ｒｅｆ所在的区域 ＋√ 一 。，则ｎ＝０；其它情况 正三角形区域中的哪一个。 由图３可以看出， 所在扇区 下“ ２。 ６个扇区内的区域划分 是相 量的 区再 （３）计算区域内各矢量作用 时间 由 ， 一去 ，一 一去 三式 与０的关系决定，由此，可定义 以下变量： ・ 所以可以根据参考矢 ，：将其旋转归一到第４扇 区域判断。 归一化的方法是，根据 开关矢量作用时间的常规计 算方法含有大量的三角函数，实 现时需要预先计算矢量作用时间 并存储大量的数据，计算较复 杂。本文对常规计算方法略加改 进，采用 一ｐ极坐标计算法，具 体计算方法如下： 设逆变器主电路直流母线电 压为ｕ。， ｒ ｚ ， 一击 ， 参考 １ 一 一。 所在的扇区Ｎ： １，则ｅ：ｅ＋ ； 若Ｖ ０，贝ＵＡ＝１，否贝ＵＡ＝０； ２，则ｅ：ｅ＋２ ／３； ３，则ｅ：ｅ十 ／３； ４，则ｅ：ｅ； 田“日一日一 ／３。 若Ｖ ＞０，则Ｂ＝１，否则Ｂ＝０； 若Ｖ ＞０， 贝Ｕｃ＝１， 否贝ＵＣ＝０； 其组合共有８种，但由判断 扇区的公式可以知道Ａ、Ｂ、Ｃ不 会同时为１或同时为０，所以实际 的组合是６种，Ａ、Ｂ、Ｃ组合取不 图５区域戈Ｕ分 根据编程的实际情况，归一 同的值对应着不同的扇区，并且 是一一对应的，因此完全可以由 Ａ、Ｂ、Ｃ的组合判断所在扇区。 仿真设计图 为区别六种状态，令ｓ＝Ａ十２Ｂ 十４Ｃ 前后的各量取同样的符号表示， 以前的量被覆盖了，但这并不影 响以后的运算。 旋转归一需要根据幅值和新 的相角重新构造参考矢量并重新 ｕ。 心 ［ ＋ 。 （：等 ｊ］＝ｒ［ ）ｃ （２） 其中 ｃｏｓ０＝ ，ｖ ｓｉｎＯ＝ ＋ 十 ＝ 则ｓ可分为１至６六个整数 计算其实部和虚部，即： Ｖ 。Ｆ＝ｌ Ｖ 。ｆ ｌ ｅｉ ０ ＋ｆ 由式（１）、（２）可解出： 因此此时０的变化范围为 ［０， ／３］，则 五＝ ｉ Ｋ］ ： ， √３ Ｕｎ １）０ ／６时， 若有 Ｔｏ ＞、 ｄｃ／２，则可判断参考矢量在第 ５区域，设区域变量为ｎ，即ｎ＝５； Ｕ Ｄ￣＋ ｉ Ｖ ］ ・ ・ ‘ 当 位于三角形Ｃ中，三个顶 点矢量作用时间由式（３）求解： 若有Ｖｐ＋ 一 ＜０，则ｎ：１；其 ｒ・ 它情况下ｎ：３。 ｛ ・ ＋ ２ 十 ２ １ 十 十 ＝ （３ ２）０ ｐ一 ｜４ｇ§ ＃ ‘ … ／６时， 若 当ｖ位于三角形Ｂ中，三个 ＋ ＜０， 则ｎ：４；若 顶点矢量作用时间由式（４）求解： ｒ・ ・ ・ ‘ 参考电压矢量的分解 ｊ ｌＴｏ＋ 十 ２ Ｖ １ 十 十 ＝ （４） 当 位于三角形Ｄ中，三个顶 点矢量作用时间由式（５）求解： ｒ・ ・ ・ ‘ 』 ２ ＋ ２ 十 ｌ ＋ ＋ ＝ Ｖｒ （５ 解各方程后将结果列于表１ 中，就是当 位于扇区Ｉ时采用 Ｖｏ ＰＰ） Ｏ０（０ｏ０）ＯＮ（ＮＮＮ） Ｖ０ｌＰ（Ｐ（）ｏ） ０ＩＮ（ＯＮＮ） Ｖｌ（ＰＮＮ） 空间电压矢量ＰｗＭ的算法。以上 是针对扇区ｌ计算的，同理可计 算其它扇区各区域的矢量作用时 扁 ，Ｊ分 ２ ０ ０ ８第ｏ１期 曛 童域 ～ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＱＵＡＬＩＴＹ圣寻蜃量 维普资讯 http://www.cqvip.com
●●●●●・…… 测试技术卷 ｌｅｓｔ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ 间，以上所有计算均不涉及非线 正确性，建立了三电平逆变系统 完成三电平逆变器的空间电压矢 性函数，完全可以实时计算实 的仿真模型，如图７所示。以期 量调制算法，主要包括各区域矢 现。 望电压矢量频率和幅值作为系统 量作用时间的计算、期望电压矢 （４）作用时间分段 的输入，整个系统包括输入部 量所在区域判断、工作模式判 将每个Ｔ ｓ分为７段，使每个 分，ＳＶＰＷＭ子系统，三电平逆变 断、触发脉冲的分配、中点电位 区域内的３种矢量循环作用的时 器主电路子系统以及交流负载部 平衡等环节。 间分另ｕ为 ４、 Ｔｂ 詈、詈、 Ｔｂ、 分。其中ＳＶＰＷＭ子系统是核心， 取采样时间ＴＳ＝１ｍｓ输入幅值 等，设时间变量ｔ，ｔ∈［０，ｔｓ］， 表１扇区Ｉ电压空间矢量作用时间 令分段变量为ｍ，取１～７的整数 —＝— ：Ｔ ２Ｔ （Ｈ ＋ １ Ｊ ＝角— ＴＯ＝２Ｔ－ ２Ｔ。 （Ｈ ＋ １ ］ 值。 （５）确定某一时刻的输出空 形角 ＝ （ 一 １ ］ 形 ： （ 一 ］一ｒ Ａ ｒ Ｂ ＝ 间矢量 ： ｒ ● ● 根据空间矢量的优化选择的 ：● ● 原则，可以确定出每个扇区每个 —＝— 去 ｒ ＝—— ＝ （ 一 １ ］ ● 角 ： 区域的矢量组，列出表格，确定 ： 出空间电压矢量作用顺序。 形 ￣ｒ＝ 。 （Ｚｏ＋击 ］一 形角 “ ４一３ ］／ Ｃ （５）空间矢量转化为触发脉 Ｕｏ ｆ＼ 一 １ ］ Ｄ ：去 ～ 冲 最终需要电压矢量转化为每 相上４个开关元件的触发脉冲， 电压矢量用ｓ来表示，开关变量 用１３来表示，则元素ｓ、１３的对应 关系为： 若ｓ：２，则１３＝［１ １ ０ ０］； 若ｓ＝１，则ｐ＝［０ １ １ ０］； 若ｓ：０，则１３＝［０ ０ １ １］； ４。三电平ＳＶＰＷＭ方法的ＭＡＴＬＡＢ仿 三电平ＳＶＰＷＭＩ￣．变器仿真搭建思路图 真实现及波形分析 前面详细讨论了三电平空间 矢量的原理，从这些原理分析仿 真实现三电平的空间矢量方法， 关键的就是产生ＳＶＰＷＭ的控制信 号，也即空间矢量方法的合成调 制波。由第四章的讨论知道，三 电平空间矢量实质也是一种载波 方法，这也为我们仿真该系统提 广—叫 广————一 口 Ｖ￣ｌｔａｇｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ２ 供了一种思路，三电平空间矢量 ｖ 。 。。 —＿二 厂Ｓ—ｃｏ—ｐｅ１ ＳＶＰＷＭ方法也可以通过载波的方 Ｖｏｌ ｔａｇｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ３ 法来予以实现，因此实现这种方 －ｎｔ 法的的关键问题就是合成三电平 １Ｄｃ ｖｏ１ｔａｇｅ ｓ０ｕｒｃｅ１ Ｂｒｉ ｓｕｒｅｍｅｎｔ 空间矢量ＳＶＰＷＭ的等效调制波。 Ｖｏｌｔ ａｇ ｅ Ｍ ｅａＬ－—＿．－＿—图６是三电平变换器仿真系统的 Ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ１ ——・ 拜Ｌ— 搭建思路图。 Ｓｅｒｉｅｓ ＲＬＣ Ｂｒａｎｃｈ２ 为验证所推导的调制算法的 ＿一三 丽 面 雹号Ｊ重量ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＱＵＡＬＩＴＹ ２ Ｏ Ｏ ８嚣Ｏ１期 维普资讯 http://www.cqvip.com
测试技术卷 Ｔｅｓｔ ＴｅＣｈｎＯＩＯｇＹ 一一．．・●●●● 为２２０Ｖ，频率为５０Ｈｚ的三相交流 电压。直流侧输入为前端整流输 出的６００ Ｖ直流电压。仿真采样时 平台阶合成的输出电压正弦波 形，这样在相同开关频率条件 －Ｆ，与传统的二电平逆变器相 参考文献： ［１］黄俊，王兆安．电力电子变流技 术。北京．机械工业出版社，１９９７． 问Ｔ＝１ ｅ一４。以Ｕ相为例仿真结果 如图８—１４所示。 比，谐波含量大为减少。利用 Ｍａｔ１ａｂ工具可以方便、直观地实 １１２］宋飞，林桦．基于ＳＶＰＷＭ的三电平逆 变器仿真研究．船电技术．２（２００５）：３３－３５。 ［３］薛定宇，陈杨泉．基于Ｍ ａｔ１ ａｂ／ Ｓｉｍｕｌ ｎＫ的系统仿真技术与应用．北京：清 华大学出版社，２００２．１：１９２－３０９． 现这些算法步骤，并可在此基础 ５．小结 从仿真结果可以看出，三电 平逆变器主要的特点是由多个电 上对ＳＶＰｗＭ控制算法和三电平逆 变器的特性进行深入的研究。◆ ［４］吴敏，基于空间电压矢量法的三 电平逆变器的仿真．合肥工业大学硕士论 文．合肥．合肥工业大学（２００５）：３２－５０． ● ： ５ ● 三电平逆变器仿真试验Ａ相电压波形 黧需童 ： ｊ、区域的判断仿真结果 滤波前ＡＢ两相之间输出线电压波形 滤波后ＡＢ两相之间输出线电压波形 滤波前输出线电压的谐波分析 黧露面２００８第Ｏ１期 翻暖 蕊 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＱＵＡＬＩＴＹ圣音质量