基于g，h坐标系的三电平逆变器SVPWM技术研究

摘要：传统二极管中性点箝位(NPC)三电平逆变器电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法需进行大量三角函数计算和扇区判断，控制器运算量较大。尤其是当多电平逆变器电平数增加时，所需电压空间矢量及控制器计算量都呈几何倍数增加，使控制难度进一步加大。在传统SVPWM基础上，采用了一种基于60°g，h坐标系的SVPWM方法。该算法仅需简单的逻辑判断即可得到参考矢量的具体位置和合成参考矢量的最近3个矢量，大大简化了参考电压矢量的合成和作用时间的计算，且该方法还可在更多电平逆变器的SVPWM中推广应用。实验结果表明该方法的可行性和正确性。
关键词：逆变器；中性点箝位；空间矢量脉宽调制

1 引言
随着电力电子技术的飞速发展，多电平逆变器拓扑在工业领域中应用广泛，其中NPC三电平逆变器应用最多。该拓扑结构与两电平逆变器相比有许多优点。对于NPC逆变器，传统SVPWM方法主要是通过扇区划分、参考电压矢量选择及电压矢量作用时间计算等步骤去合成SVPWM波形。但该方法需进行大量三角函数计算和扇区判断，控制器运算量较大。尤其是当多电平逆变器电平数增加时，所需电压空间矢量及控制器计算量都呈几何倍数增加，使控制难度加大。文献给出不同的SVPWM算法，但均存在不足。
在分析和比较常见NPC逆变器SVPWM方法的基础上，这里采用一种基于60°g，h坐标系的SVPWM控制策略，该策略无需进行复杂的三角函数运算，仅需简单的逻辑判断即可得到参考矢量具体位置和合成参考矢量的最近3个矢量，可大大简化参考电压矢量合成和作用时间计算。且该方法同样适用于更多电平逆变器的SVPWM。

2 NPC逆变器拓扑及工作原理
图1为NPC逆变器拓扑。每一桥臂有4个开关管，在每一个时刻，变流器都必须有两个开关管导通。以A相为例，允许的开关管组合为V1和
V2，V2和V3，V3和V4，其余组合都是不允许的。这3种情况对应的电压分别为Ud／2，0和-Ud／2，该逆变器即为三电平逆变器。

3 基于g，h坐标系的SVPWM简化算法
传统SVPWM算法在参考电压矢量所在扇区、小三角形区域判断及基本矢量作用时间的求取上需进行大量计算。图2示出各开关状态组合与空间电压矢量的对应关系。可见，NPC逆变器电压空间矢量之间的角度均为60°的整数倍。由此可以想到，若采用非正交60°坐标系，将有助于简化参考矢量合成和作用时间计算。基于60°g，h的坐标系，就是取g轴与直角坐标中的a轴重合，然后定义从g轴逆时针旋转60°的位置为h轴。矢量在α，β坐标系和g，h坐标系的关系为：

若将三电平的基本电压矢量变换到g，h坐标系下，即可得到60°坐标系下的三电平空间矢量图。由于每个电压矢量之间的角度均为60°的倍数，故变换到g，h坐标系下的所有基本电压矢量的幅值均为整数。对于任意空间参考矢量Uref(Urg，Urh)，距离其最近的4个电压矢量可由Uref的坐标向上、向下取整得到。即。下标U表示向上取整，L表示向下取整。不管参考矢量在平行四边形中哪个小三角形内，对角线上的UUL和UUL都必须用到。而对于第3个矢量的选择，可根据Urg+Urh-(UULg+UULh)的值确定。当其值大于零时，UUU是第3个矢量；当其值小于等于零时，ULL是第3个矢量。

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第3个电压矢量确定后，就确定了合成参考矢量的3个基本电压矢量，根据伏秒平衡原理就能计算出各个基本电压矢量的作用时间。


4 实验
以DSP 320LF2812为控制器构建实验平台。参数如下：幅值调制度为0．9；采样频率1．2 kHz；电源工作频率为50 Hz；单元直流侧电压为100 V；负载为阻感串联三相星形连接负载，R=7．3 Ω，L=9．5 mH。相电压uAN、线电压uAB如图3所示。可见，采用简化算法得到的逆变器输出电压波形与传统SVPWM下基本相似，证明了该算法正确可行。

5 结论
提出一种基于60°g，h坐标系的SVPWM方法。该算法无需复杂的三角函数运算，可大大简化参考电压矢量合成和作用时间计算，且得到的相电压及线电压波形质量与传统SVPWM基本相同，且该方法同样适用于更高电平逆变器的SVPWM。