一种新型的三相单边三电平逆变器及其

1、PAGE PAGE 7一种新型的三相单边三电平逆变器及其调制策略曹文燕，郭敏，张宇翔，李文鹏，张晓荣（郑州大学 物理工程学院，郑州 450001）摘要：文中提出了一种新型的三相单边三电平逆变器，其前级通过Boost变换器实现三电平供电，逆变部分采用一侧三电平一侧两电平的形式来简化电路结构；分析了该电路的工作原理，并设计了适用于该电路结构的五段工作模式空间矢量脉冲宽度调制策略，实现了三电平侧的正常调制及两电平侧的低损耗调制。在该调制策略下，电路具有相对简单的控制算法，而且在简化逆变电路体积的同时仍能实现较低的开关损耗及输出电压电流较少的谐波含量。在MATLAB/SIMULINK环境下建模仿真，仿

2、真结果验证了该新型电路的有效性和优越性及其调制策略的可行性。关键词：单边三电平；逆变器；空间矢量脉冲宽度调制；仿真中图分类号：TM 464 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00A novel three-phase unilateral three-level inverter and itsmodulation strategy Cao Wenyan, Guo Min, Zhang Yuxiang, Li Wenpeng, Zhang Xiaorong(School of Physical Engineering, Zhengzhou Universi

3、ty, Zhengzhou, 450001, China)Abstract：This paper proposes a novel three-phase unilateral three-level inverter which uses Prepre-bBoost converter to implement three-level power supply and adopts three-level on one side and two-level on another side in the inverter part to simplify the circuit structu

4、re. It analyzes tThe working principle is analyzed and proposes a five segment work mode space vector pulse width modulation (SVPWM) strategy is proposed which can implement normal modulation on the three-level side and low loss modulation on the two-level side. Under this strategy, the circuit has

5、a relatively simple control algorithm, and can still achieve lower switching loss and less harmonic content of output voltage and current while reduce the volume of the inverter. Modeling in MATLAB/SIMULINK, the simulation results verify the effectiveness and superiority of the new type circuit and

6、the feasibility of its modulation strategy.Keywords：unilateral three-level, inverter, space vector pulse width modulation (SVPWM), simulation0引 言随着高压大功率设备在生产、生活中的广泛应用对逆变器成本、效率和可靠性的要求越来越高。多电平逆变器以其输出电压更接近正弦波，谐波含量少，电压应力小，开关频率低等优点成为了研究热点1-3。多电平逆变器基本拓扑结构有三类：二极管箝位型(Neutral Point Clamped，NPC)，飞跨电容型及级联H桥型4。

7、其中二极管箝位型三电平逆变器应用最为广泛，但是其直流侧需要较大容量的分压电容且存在电压不均衡问题，逆变侧需要较多的功率管及箝位二极管，这使得逆变器结构及控制变得复杂，增加了系统的体积和成本，也影响了系统的性能及效率5-6。本文提出了一种新型三相单边三电平逆变器，其直流侧通过Boost变换器实现三电平供电；逆变部分采用一侧三电平一侧两电平的形式，减少了开关器件数目，简化了电路体积；将三相NPC型三电平逆变器的SVPWM方法7-8引入到该电路中，设计了适用于该电路结构的五段工作模式SVPWM调制策略。最后在MATLAB/SIMULINK环境下建模仿真分析，验证了该新型电路的有效性及其调制策略的可行

8、性。1新型三相单边三电平逆变电路及其工作原理新型三相单边三电平逆变电路如图1所示，供电电源部分由电源E，电容C及开关管S、二极管D4、电感L构成的Boost变换器组成。电源E一方面直接为后级电路供电，一方面通过Boost变换器升压，从而为逆变桥路部分提供三个电平V1、V2和V3；以N点为参考点，则V1为零，V2为电源E的电压，V3可根据实际需求选择合适的E，并通过Boost变换器调节控制。三相逆变桥路部分由9个功率开关管及3个二极管组成。图1 新型三相单边三电平逆变电路Fig.1 The nNovel three-phase unilateral three-level inverter以A相

9、为例分析逆变电路的工作原理。在逆变器输出交流电流的正半周，当T1导通，T2和T7关断时，A相电位为V3，称此为P状态；当T7导通，T1和T2关断时，A相电位为V2，称此为O状态；当T2导通，T1和T7关断时，A相电位为V1，称此为N状态；此时后级逆变电路工作于三电平逆变方式。在逆变器输出交流电流的负半周，P、N状态仍存在，但是由于二极管D1处于反向截止状态，电流无法流进O点，A相无法得到V2电位，则O状态不存在；此时后级电路工作于普通两电平逆变方式。由此可见，新型逆变电路仅有半周期的时间工作于三电平方式，因而称其为单边三电平逆变器。2五段式空间矢量脉冲宽度调制策略2.1单边三电平逆变器的电压空

10、间矢量及其分布单边三电平逆变器SVPWM方法的思想是：先假定P、O、N状态都成立画出SVPWM分布图，再在分布图中找出O状态不存在的区域，剔除这些区域中不可以用的矢量，最后用可用矢量合成参考电压矢量。基于三相NPC型三电平逆变器SVPWM的基本原理7-8，设相电压峰值为Vm，频率为f且=2f，则三相正弦参考电压瞬时值表达式为： （1） N为直流侧电压参考点，则其输出电压空间矢量为： （2） 由式（2）可求出不同开关状态（P、O、N）组合下的输出电压空间矢量，如表1所示，将其绘制在复平面内发现：当V3=2V2时，所得图形与三相NPC三电平逆变器的SVPWM空间矢量图一致；当V32V2或V32V2

11、时的中矢量，蓝色线是V32V2时的中矢量。表1 新型逆变器的输出电压空间矢量(X = 2V3/3，Y = 2V2/3，Z = XY，k = ej/3)Tab.1 Output voltage space vector of the novel inverter长矢量负短矢量正短矢量中矢量PNNXONNYPOOZPONX+Yk2PPNXkOONYkPPOZkOPNY+Xk2NPNXk2NONYk2OPOZk2NPOXk2+Yk4NPPXk3NOOYk3OPPZk3NOPYk2+Xk4NNPXk4NNOYk4OOPZk4ONPY+Xk4PNPXk5ONOYk5POPZk5PNOX+Yk4零矢量NN

12、N OOO PPP图2 新型逆变器的电压空间矢量分布图Fig.2 Voltage space vector diagram of the for novel inverter2.2小区域的划分及判断图3为六大扇区在三相正弦参考电压波形图上的位置关系，由图3可以找出三相电压（电流）小于零的部分在图2上的对应区域（图2中弧线包含的部分）。图3 六大扇区在三相正弦电压上的位置Fig.3 Six sectors on three-phase sinusoidal voltage分析图2的扇区I、II如下：扇区I的0，/6区域：Vb0，Vc0由电路原理可知，此时B、C相没有O状态，即在该区域矢量OOO、

13、POO、OON、PPO、PON是不可用矢量，矢量NNN、PPP、ONN、PNN、PPN是可用矢量。而/6，/3区域：Vc0，C相没有O状态，矢量OOO、POO、PPO是不可用矢量，矢量NNN、PPP、ONN、OON、PON、PNN、PPN是可用矢量。扇区II的/3，/2区域：Vc0，C相没有O状态，矢量OOO、PPO、OPO是不可用矢量，矢量NNN、PPP、OON、NON、OPN、NPN、PPN是可用矢量。而/2，2/3区域：Va0，VcR时,Vref在小区域2、3、4内；若则Vref在小区域2内，若则Vref在小区域4内，否则Vref在小区域3内。图4的V32V2：判定条件同V3=2V2时，

14、但是中矢量偏离了划分各相电压正负的虚线，导致当R/6时Vref本应判定在小区域1内，选用扇区I的0，/6区域内的可用矢量来合成却被误判在2、3、4内，这样将会用到本不能选用的矢量造成算法的错误。对于图4的V32V2：当/6/6则Vref在小区域3内；若 /6则Vref在小区域1内。（2）当 R时：若 /6则Vref在小区域2、3、4内，若则Vref在小区域2内，若则Vref在小区域4内，否则Vref在小区域3内；若 /6则Vref在小区域1内。同理，可得到V3、V2任意关系时扇区II小区域的判定条件：（1）当 /3-R时：若 /6则Vref在小区域8内；若 /6则Vref在小区域5、6、7内，

15、若则Vref在小区域5内，若则Vref在小区域7内，否则Vref在小区域6内。（2）当 /3-R时：若 /6则Vref在小区域8内；若 /6则Vref在小区域6内。2.3矢量作用次序及时间计算矢量作用次序要遵守：基本矢量必须是该区域的可用矢量且符合邻近三矢量合成原则，任一次开关状态变化只能有一相桥臂的开关动作，符合三电平工作的各相不能在N、P状态之间直接切换9。起始矢量为负短矢量，则扇区I，II各小区域只有五段工作模式的矢量作用次序，如表2所示。表2 扇区I、II各区域的矢量作用次序Tab.2 Vectors sequence for each section in sector I 、II区

16、域矢量作用次序区域矢量作用次序I1I2I3I4ONN PNN PPN PNN ONNOON ONN NNN ONN OONONN OON PON OON ONNOON PON PPN PON OONII5II6II7II8OON NON NNN NON OONNON OON OPN OON NONOON OPN PPN OPN OONNON NPN PPN NPN NON 由表（2）可知扇区I、II各区域内合成Vref的三个基本矢量由左至右依次是U1、U2、U3，Ts为采样周期，带入伏秒方程组： （3） 即得三个基本矢量对应的作用时间T1、T2、T310。如图6、7所示（I4区域）将作用时间与

17、矢量状态结合得到中心对称的五段式SVPWM波形，由此可得各相开关器件的驱动信号，实现主电路的SVPWM控制11。根据第2部分的分析，在每个采样周期内依次完成参考电压矢量的区域判断，矢量作用次序确定，时间计算及时间分配即可实现单边三电平逆变器的SVPWM控制。且分析发现III、V和I扇区的矢量选取及作用次序确定方法，小区域划分及各小区域基本矢量的作用时间完全相同，IV、VI和II扇区的完全相同。这种规律有效地降低了算法及控制的复杂度。 图6 五段式SVPWM波形（I4区）Fig.6 Five segment SVPWM waveform（I4）图7 A相开关驱动信号（I4区）Fig.7 Swit

18、ch drive signal of A phase（I4）3仿真模型的建立及结果分析为验证新型逆变电路的有效性及其调制策略的可行性，如图8所示在MATLAB/SIMUILINK下建模仿真。仿真参数：V3为660V，V2为360V，Vm为311V，调制深度M=0.816，f为50Hz，采样频率为5kHz，负载电阻都为3，电容C都为100F，滤波器电感L1(L3、L6）=0.3mH，L2(L4、L5)=1mH。图8 新型逆变器的SVPWM仿真模型Fig.8 SVPWM simulation model for novel inverter 图9是区域的判定仿真结果，可看出在一个基波周期内参考矢量

19、依次扫过大扇区IVI，且在扇区I、III、V内依次扫过小区域1、3、4，在扇区II、IV、VI内扫过小区域7、8、9，与小区域的划分相一致。图10是A相相电压的仿真结果，由图2、3、9可知在0，0.01s大扇区N正好是A相电压小于零的区域，此时A相只有N、P状态，电压只能在V1、V3间切换，且当电压在三相中最低时一直保持N状态以减小开关损耗；在0.01，0.02sA相电压是正常的三电平状态，与设计算法正好吻合。 （a）大扇区仿真结果 （b）小区域仿真结果图9 区域的判定仿真结果Fig.9 Section judgment simulation results图10 A相相电压仿真结果Fig.1

20、0 Phase voltage simulation result of A phase 图11、12是AB相线电压的仿真结果及由MATLAB/SIMULINK电力系统工具箱powergui的FFT模块测得的频谱图。可以看出其波形符合单边三电平的变化规律，电压基波幅值为538.2MV3=（538.6），正好与所想要输出的三相电压的线电压峰值一致，进一步验证了算法。 图11 AB相线电压的仿真结果 Fig.11 Line voltage simulation result of AB phase 图12 AB相线电压的频谱图 Fig.12 Line voltage spectrogram of

21、AB phase图13、14是滤波后三相负载电压、电流的波形图及负载电流频谱图。可以看出负载电压（前端的波动主要是MATLAB系统本身引起的）与标准三相正弦电压一致，负载电流400次以内的总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion，THD)很小，仅为0.63。图15给出了V3为720V、660V时，V3、V2不同关系下负载电流400次以内的THD值，可以看出电路都能保证输出电流谐波含量少，总谐波畸变率小（0.8%）。这确保了输出电流的稳定性和输出电能的质量，为实际运用提供了理论参考。图13 负载电压及电流仿真波形Fig.13 Load voltage and curren

22、t simulation waveform 图14 负载电流频谱图Fig.14 Load current spectrogram 图15 V3、V2不同关系下负载电流的THDFig.15 Load current THD under different V3and V24结束语文中提出了一种新型的三相单边三电平逆变器，设计了适用于该电路的五段式SVPWM调制策略，该策略对非对称形式的多电平逆变器运用SVPWM也有一定的参考价值。与三相NPC三电平逆变器相比电路结构更加简单；其调制策略也能保证电路较低的开关损耗和输出电压电流谐波含量，区域划分的特殊性也有效地降低了算法及控制的复杂度。仿真结果验证

23、了新型电路的正确性且在该调制策略下有较好的性能，因而有一定的研究及应用价值。参 考 文 献1 Samir Kouro, Mariusz Malinowski, K Gopakumar. Recent Advances and Industrial Applications of Multilevel InvertersJ. IEEE Transactions onIndustrial Electronics, 2010, 57(8): 2553-2580.2 张志, 谢运祥, 乐江源, 等. 二极管钳位型单相三电平逆变器空间矢量脉宽调制方法J. 中国电机工程学报, 2010, 30(27):

24、62-68.Zhang Zhi, Xie Yunxiang, Le Jiangyuan, et al. Study of SVPWM Method for Single-phase Three-level Diode-clamped InverterJ. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(27): 62-68.3 Rodriguez J, Bernet S, Steimer P K. A Survey on Neutral-point-clamped InvertersJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics

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26、北京: 清华大学出版社, 2006: 130-137.6 丁石川, 程明, 王政, 等. 一种新型基于直流电容局部充电的升压型多电平逆变器J. 电工技术学报, 2013, 28(9): 231-238.Ding Shichuan, Cheng Ming, Wang Zheng , et al. Design and Analysis of a Novel Pumping-Voltage Multilevel Inverter Based on Partial Charging of DC CapacitorJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(9): 231-238.7 李启明. 三电平SVPWM算法研究及仿真D. 合肥: 合肥工业大学, 2007.Li Qiming. Method and Simulation of Three-Level SVPWM Control StrategyD. HYPERLINK /link?url=AV4wuG2hMFwAKSR15Mo29zAp-NsLNLD-I6I5EmYAOO2IsOBbgxB4HvlRKpaFyw58 t _blank Hefei: Hefei University of Technology, 2007.8 郭丹. 一种空间矢量的