三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量控制原理及算法

圖4 中部小三角形區(qū)域電壓合成

將式（7）帶入式（6）中解得：

（8）

因此，該區(qū)域的中線電流可表示為：

iNP=DM·ib＋(mso·Dso·ia＋ms1·Ds1·ic)（9）

式中：mso和ms1為短矢量的調(diào)制度。

式（5）與式（9）相比可知，在式（9）中由于存在兩個(gè)可以調(diào)節(jié)的短矢量，因此在該區(qū)域更有利于中點(diǎn)電壓的平衡。

圖5為內(nèi)部小三角形區(qū)域參考電壓矢量合成圖。

圖5 內(nèi)部小三角形區(qū)域電壓合成

該區(qū)的合成參考電壓可表示為：

VREF=DsoVso＋Ds1Vs1＋DoVo（10）

式中：Vo為零矢量電壓。

因此根據(jù)平行四邊形法則，它的占空比為：

（11）

中線電流為：

iNP=mso·Dso·ia＋ms1·Ds1·ic（12）

從式（12）可以看到，中線電流只含可以調(diào)制的短矢量，而不含不可調(diào)制的中矢量。所以內(nèi)部區(qū)域的參考電壓矢量更有利于中線電流的調(diào)節(jié)，同時(shí)有利于中點(diǎn)電壓的平衡。但是，它的電壓矢量幅值很小，電壓利用率不高，該區(qū)域只適用于剛起動(dòng)或瞬態(tài)時(shí)。

總之，當(dāng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電壓矢量只可能在Ⅰ和Ⅱ區(qū)域合成。改變ω可以調(diào)節(jié)輸出頻率；改變各占空比D可以調(diào)節(jié)輸出電壓大小并且通過短矢量占空比調(diào)節(jié)還實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)電壓平衡。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

依據(jù)上述關(guān)于中點(diǎn)電壓平衡的電壓空間矢量算法以及三相多電平電壓空間矢量快速算法理論[4]，用Matlab對箝位二極管式三相三電平電壓型逆變器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。其中Vdc=200V，采樣頻率fs=600Hz,調(diào)制度m=0.92。各相輸出接有R－L負(fù)載,輸出各相電壓仿真波形如圖6所示，其中波形Vo是輸入電容兩端電壓之差，即平衡電壓波形,輸出頻率為fo=50Hz。從實(shí)驗(yàn)表明，以上的基于電壓空間矢量的電壓平衡算法是可行的，中點(diǎn)電壓可以達(dá)到一定范圍的平衡。通過三電平的采用，它的輸出相電壓波形將更近似于正弦波，在相同開關(guān)頻率條件下，大大降低了諧波污染。

圖6 三電平逆變器仿真實(shí)驗(yàn)電壓波形

5 結(jié)語

將電壓空間矢量與三電平逆變器相結(jié)合，可以集二者優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)調(diào)節(jié)了中點(diǎn)電壓的平衡，這樣便解決了多電平輸入母線電壓的不平衡問題。特別是在利用數(shù)字信號處理（DSP）的控制中，該方法算法簡單，實(shí)現(xiàn)容易，具有明顯的優(yōu)勢。本文結(jié)合了電壓空間矢量快速算法，給出了三相三電平逆變器的仿真結(jié)果，進(jìn)一步證明了它的可行性。