摘要：本文介紹了二極管中點箝位式三電平電壓型逆變器為主電路的逆變裝置，詳細分析了三相三電平逆變器SVPWM傳統(tǒng)算法的原理，詳細闡述了SVPWM波形發(fā)生的方法，在Matlab/simulink里以三電平逆變器為對象進行了仿真分析。仿真結果與二電平進行了比較，結果證實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有效的參考。
伴隨著高速列車的引進，我國鐵路事業(yè)進入了高速時代，其中對CRH2機車關鍵技術的研究已經有突破性進展。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用要求，于是采用三電平控制器，三電平可以使開關器件承受的壓降降低、改善輸出波形的波形質量、減小逆變器和負載收到的沖擊等優(yōu)點，采用在高速列車動車組上。
      所謂三電平每相橋臂由4個電力電子開關器件串聯(lián)組成，直流回路中性點0(其電位為零)由2個箝位二級管引出，分別接到上、下橋臂的中間，這樣，每個電力電子開關器件的耐壓值可降低一半，故結構更適合于中壓大功率交流傳動控制，這也是目前廣泛應用的拓撲結構。三電平中點箝位式逆變器主電路如圖1所示。

圖1  三電平中點鉗位式逆變器主電路

      三電平逆變器的Park矢量為

        （1）

      通常，逆變器利用開關器件的開通和關斷經由各相只輸出+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

      為了實現(xiàn)三電平逆變器的SVPWM控制，在每個采樣周期內，應分為一下三個步驟:
     (l)區(qū)域判斷。找出合成參考電壓矢量的三個基本矢量。
     (2)時間計算。確定三個基本矢量的作用時間，即每個矢量對應的占空比。
      (3)時間狀態(tài)分配。確定各個基本矢量對應的開關狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對應的作用時間分配給相應的開關狀態(tài)，完成對開關器件的控制。
      1、區(qū)域判斷
      傳統(tǒng)算法根據三電平基本空間矢量圖將整個矢量空間先分成6個大區(qū)域，再將每個大區(qū)域分成4個小區(qū)域。由于基本空間矢量中的短矢量在每個采樣周期中出現(xiàn)的次數(shù)多，為了算法及仿真的準確性，本文將每個大區(qū)域細分成6個小區(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。根據小區(qū)域的區(qū)域分布情況和幾何關系，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，但這里用了一個傳統(tǒng)的方法來判斷大扇區(qū)。當在電機上加三相正弦電壓時，電機氣隙中產生圓形的磁鏈。然后我們講這個三個相差120°的正弦電流按照式（1）進行矢量合成 ，然后對 進行幅值和相角的變換。這時得到一個相角不斷變化的數(shù)值，再利用Matlab中Fun模塊的ceil（ceil：朝正無窮方向舍入）功能對其進行大扇區(qū)的判斷。得到扇區(qū)的值N。下面進行小扇區(qū)的判斷。
    （二）小扇區(qū)的判斷
      三、作用時間計算
      判斷出參考矢量所在的區(qū)域后，根據伏秒平衡方程組

      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間的計算。

      區(qū)域范圍內的基本矢量作用時間如表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間的計算。

      區(qū)域范圍內的基本矢量作用時間如表1所示

表1 基本矢量作用時間表

      跟據以上表格可以找到規(guī)律如下，大扇區(qū)一三五的作用時間的變化規(guī)律一樣，大扇區(qū)二四六的作用時間的變化規(guī)律一樣，就只分析大扇區(qū)一和二。這樣可以得到作用時間 、 、 ，于是大扇區(qū)第二小扇區(qū)的作用時間只要調整下輸出時間的順序，即按上圖將作用時間按順序 、 、 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換一下就可以將作用時間構建出來。用同樣的方法也可以講第二大扇區(qū)的計算時間模塊搭建出來。下一步的工作就是根據 的扇區(qū)位置選擇使用的作用時間，利用選擇開關按照小扇區(qū)的作用順序n在內部，大扇區(qū)的作用順序N在外部的原則，選擇整個區(qū)域的作用時間。
      四、時間狀態(tài)分配
      時間狀態(tài)分配的目的是確定各個基本矢量對應的開關狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對應的作用時間分配給相應的開關狀態(tài)，生成主電路開關器件的觸發(fā)波形，完成對開關器件的控制，是三電平SVPWM算法的關鍵部分。把負短矢量作為每個采樣周期的起始矢量，實現(xiàn)七段式時間分配，每個區(qū)域的基本矢量作用時間是 、 、 是按照以短矢量為每個采樣周期起始矢量的次序排列的，因此所有區(qū)域的七段式時間分配是一樣的，不同的是 、 、 的值。所以每個區(qū)域都可以用相同的七段式時間分配仿真模塊。
      七段式仿真模塊不是將作用時間與開關狀態(tài)對應，而是通過時間疊加產生含有與矢量狀態(tài)對應的時間信息的梯形波M，作為下一個矢量狀態(tài)次序仿真模塊的選擇信號或分配信號。根據狀態(tài)的作用次序原則，每個采樣周期以負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，逐層深入的結構，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)內的小區(qū)選擇，第三層是整個區(qū)域的矢量狀態(tài)次序，模型特點是大量使用SIMULINK的多路選擇開關器件排列矢量狀態(tài)次序和判斷所在區(qū)域最后進行狀態(tài)的轉換

      總結以上仿真模型，我們可以很得到總的仿真模型如下

      仿真結果

      加入三電平逆變橋和永磁同步電動機后，測得輸出線電壓波形如下所示。同步電機參數(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,負載在t=0.04s時加入轉矩T=0.5。為了與兩電平帶永磁同步電機的輸出特性曲線相比較，加入兩電平輸出特性曲線如下，電機參數(shù)不變。仿真波形如下：

       1、線電壓區(qū)別

       2、帶負載后轉矩區(qū)別

注：三電平的轉矩脈動明顯比兩電平的要小

      3、THD含量

     結論：
     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行比較，并分別引入永磁同步電機，仿真比較結果如下：1、三電平的電磁轉矩帶有更少的脈動 、2作用時間更快 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，可以使電動機更快的達到額定轉速。最后使用Powergui進行了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。