三电平SVPWM算法的仿真

【摘 要】针对现在开关频率的不合理，导致能耗大的问题，从而提出了空间电压矢量调制法（SVPWM）。它是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法。采取这种方法的好处是电压的利用率高，易于数字化实现，输出波形质量好，接近正弦，合理安排空间矢量，可以降低开关频率，减少开关损耗。所以，本文选用空间电压矢量调制（SVPWM）作为三电平逆变器的控制方法。

【关键词】SVPWM 电压 波形 损耗

1 SVPWM算法的研究背景及意义

三电平逆变器PWM技术主要对输出电压的控制，逆变器本身运行状态的控制，包括直流电容的电压平衡控制、输出谐波控制、所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。目前研究比较多的是应用比较广泛的空间电压矢量调制法（SVPWM）。空间电压矢量调制法（SVPWM）是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法，采取这种方法，电压的利用率高，易于数字化实现，输出波形质量好，接近正弦，合理安排空间矢量，不仅可以降低开关频率，而且减少开关损耗。所以，本文选用空间电压矢量调制（SVPWM）作为三电平逆变器的控制方法。

2 三电平基本空间矢量

以交流电机为负载的三相对称系统，当在电机上加三相正弦电压时，电机气隙磁通在静止坐标平面上的运动轨迹为圆形。设三相正弦电压瞬时值表达式为：

， （2.1）

则它们对应的空间电压矢量定义为：

（2.2）

在空间矢量平面上，三电平逆变器的同一基本矢量对应不同的开关状态，说明逆变器输出的基本矢量所对应的开关状态数目具有一定的冗余度。按照基本矢量幅值的不同进一步分类，可以将19个基本矢量及其对应的度低组开关状态分为四类，分别称为长矢量、中矢量、短矢量和零矢量。

3 参考电压矢量合成的原则

为了让三电平逆变器输出的电压矢量接近圆形，并最后得到圆形的旋转磁通，只有利用逆变器的输出电平和作用时间的有限组合，用多边形去接近圆形。

在采样周期内，对于一个给定的参考电压矢量Vref'可以用三个基本电压矢量来合成，根据伏秒平衡原理，其中T1、T2、T3分别为V1、V2、V3矢量对应的作用时间，Ts为采样周期。根据此方程组可以得到各基本矢量的作用时间。然后根据基本矢量与开关状态的对应关系，结合其它要求确定所有的开关状态及其输出形式。

根据以上所说原则，为了实现三电平逆变器的SVPWM控制，在每个采样周期内，应分为以下三个步骤：（1）区域判断。（2）时间计算。（3）时间状态分配。

4三电平SVPWM算法及仿真

4.1区域判断

区域判断的目的主要是找出合成参考电压矢量的三个基本矢量。先根据三电平基本空间矢量图将整个矢量空间先分成6个大区域，然后再将每个大区域分成4个小区域。由于基本空间矢量中的短矢量在每个采样周期中出现的次数多，为了算法及仿真的准确性，将每个大区域细分成4个小区域。

大区域按照矢量角度每。为一区划分，因此可以按照参考电压矢量的角度判断其所在的大区域。根据小区域的区域分布情况和几何关系，可以按照以下方法判断参考电压矢量所在的小区域。

4.2时间计算

判断出参考电压矢量所在的区域后，根据NTV（NearestTriangleveetors）法则，就能找到了合成参考电压矢量的三个基本矢量V1、V2、V3，连同参考电压矢量Vref一起代入伏秒平衡方程组解出，也就完成了传统三电平SVPWM算法对基本空间矢量作用时间的计算。

同样的道理，可以求出参考电压矢量在其它区域时的基本矢量的作用时间。仔细观察基本矢量作用时间表内的所用时间表达式，就会发现不同区域的作用时间并不一定是各不相同，而是存在一定的逻辑关系。

4.3时间状态分配

从三电平SVPWM基本空间矢量图可以看出，大矢量和中矢量与开关状态一一对应，短矢量对应2组开关状态，零矢量有3组开关状态。由于在每个采样周期内出现的开关状态中，短矢量对应的开关状态出现的次数多，因此选用短矢量作为每个采样周期的起始矢量。为了使基本矢量对应的作用时间和开关状态分配简便一致，本文选用负短矢量作为每个采样周期的起始矢量。零矢量可以根据开关状态的作用次序选取。

采用中心对称的七段式SVPWM波形将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态。三相矢量状态对应全部开关状态，将基本矢量的作用时间分配给对应的矢量状态，也就是将开关器件的导通或关断时间分配给对应的开关器件，完成对主电路开关器件的控制。采用分步法实现间状态分配。

5基于SVPWM的三电平逆变器

5.1三电平逆变器主结构

为了验证以上设计的SVPWM算法的正确性，现在以一三电平的逆变器进行仿真测试。

三相三电平逆变器主电路参数为：

Vdc=220V，直流侧电容为C1=C2=1mF，每相负载分别为：L1=50mH，R=20 。

5.2仿真结果及分析

搭建好整个系统后，仿真观察各个部分的仿真结果是否正确。

大区域和小区域判断仿真结果，可以看出，在一个周期内，参考矢量扫过大区的顺序为从I到VI，在每个大区内，扫过的小区顺序为2，3，4。

梯形波M仿真结果，梯形波M含有与矢量状态对应的时间信息，而且是矢量状态次序选择信号或分配信号。从仿真结果中可以看出，每个周期含有七级阶梯，高度分别为1，2，3，4，5，6，7，作为矢量状态次序多路选择开关器件的控制信号输入。仿真的波形可以看出所设计的SVPWM算法能成功运用在三相三电平逆变电路中，并且逆变效果好，交流侧正弦波形THD只有0.56%，失真小，突出了SVPWM技术在多电平电路中的应用优势。

6结语

空间电压矢量调制法（SVPWM）是一种建立在空间电压矢量合成概念上的脉宽调制方法，采取这种方法，电压的利用率高，易于数字化实现，输出波形质量好，接近正弦，合理安排空间矢量，可以降低开关频率，减少开关损耗。