一种通用的H桥级联多电平逆变器SVPWM控制

摘要：H桥级联多电平逆变器调速系统中，电压矢量数目过多，存在计算困难及电压矢量优化选择的问题。对多电平系统电压矢量的特点和规律进行深入分析，提出了一种简单、通用的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法。该算法可减小谐波畸变，降低开关频率，能很容易地确定参考电压矢量位置和各矢量作用时间，且占用存储空间小，无需查表。最后，通过13电平H桥级联型逆变器驱动系统的实验，验证了该方法的有效性。
关键词：逆变器；多电平；电压空间矢量

1 引言
多电平逆变器波形质量高，开关损耗低，是近年来研究的热点。随着电压水平的提高，逆变器输出电压的谐波含量降低，并能最终得到理想的正弦波，因此，多电平逆变器常用在高压大功率装置中。SVPWM能提供最优开关类型，且适用于数字装置，在所有多电平逆变器算法中最具前景，但由于空间矢量和冗余开关状态的数量非常大，3电平以上的SVPWM非常复杂。
针对多电平逆变器控制的复杂性，文献提出了各自的空间矢量算法，但均存在缺陷。在此提出一种通用的空间矢量算法，该算法简单有效，易于实施，参考电压矢量位置和空间矢量作用时间易于计算；对于特定参考电压很容易确定所有冗余开关状态；为了获得最小谐波畸变率，开关类型的选择非常重要，该算法能自动产生开关类型，无需查表，降低了存储空间。该算法可用于任何高电平级联型H桥逆变器。

2 级联型H桥逆变器
通常，典型2N+1电平逆变器需要N个H桥，每个H桥有一个独立的直流电源U，其相电压为NU，(N-1)U，…，-(N-1)U，-NU，其相应的电压空间矢量图可划分成6个三角扇区，这里仅分析第1扇区，因为其他扇区的矢量可用旋转(π／3)k(k=1，2，…，6)角度的方法变换到第1扇区。通常2N+1电平的逆变器在图1所示的第1扇区中，参考矢量Uref沿m轴，n轴的分量分别为：

式中：θ为Uref的旋转角度。

3 算法的提出
随着电平数增加，矢量图中三角形数目以NT=6(N-1)2的规律增加，可用下述方法选择三角形。假设Uref和θ位于图1所示平行四边形DEGF中，计算出Urm和Um后，向低取整，如：Urm=2．6，Um=1．85，取整后m=2，n=1，则m，n就决定了矢量在m，n轴中的坐标(m，n)。若Urm+Um ≤m+n+1，则Uref位于左下方△DEF中，否则位于△EFG中。
假设任意时刻Uref位于△EFG中，最近的3个空间矢量为(m1，n1)，(m2，n2)和(m3，n3)。根据伏秒平衡方程，有：

式中：TPWM为PWM的周期。
在多电平逆变器中，一个空间电压矢量可用多个开关状态代表。所有这些开关状态均可产生一个幅值和相角都相等的输出电压。下面推导任意级联型H桥多电平逆变器空间矢量和相应开关状态之间的关系表达式。在图1中，空间矢量可用(m，n)表示，其中m=1，2，…，2p；n=1，2，…，2p；整数p=(N-1)／2，N为逆变器相电压的水平数，通常N为奇数。通过深入研究多电平逆变器的所有状态，可得(m，n)与相应开关状态之间的关系为：
Sa=-p，-P+1，-p+2，…，p， Sb=Sa-m， Sc=Sb-n (3)
(m，n)的开关状态数为Ns=N-(m+n)。式(3)为开关状态的一般表达式，可应用至任意级联型多电平逆变器中。对于给定的(m，n)，其对应的所有开关状态可通过式(4)计算：

电平逆变器中冗余开关状态的数量随着电压水平的升高而增大。例如5，7，9电平逆变器中零矢量的冗余状态分别为4个、6个和8个。在二极管箝位多电平逆变器中，冗余开关状态能够平衡直流电压的电容电压。级联型H桥逆变器不存在此问题，冗余状态只用于减小电压谐波畸变率。

4 算法的实现
任何空间矢量(m，n)都能被划分为偶矢量和奇矢量两类。偶矢量，即空间矢量的坐标(m，n)之和为偶数，若m和n都为偶数或两者都为奇数，那么相应的开关状态为中，可表示为：
Sam=(m+n)／2，Sbm=(n-m)／2，Scm=-(m+n)／2 (5)
式中：Sam，Sbm和Scm分别为a，b和c相的中开关状态。
对于偶矢量，中开关状态的每个分量都是整数，且此状态是可实现的。如空间矢量(1，1)有5个状态：[-1，-2，-3]，[0，-1，-2]，[1，0，-1]，[2，1，0]和[3，2，1]，其中开关状态为[1，0，-1]，可通过逆变器三相状态分别为Ss=1，Sb=0和Sc=-1来实现。
对于奇矢量(空间矢量的坐标(m，n)之和为奇数)，m+n和m-n都是奇数，中矢量无法实现，因为逆变器不可能产生半电平，在此情况下可采用小开关状态或大开关状态。

为减小电压谐波畸变，按下述方法安排开关状态：根据最近3个空间矢量(m1，n1)，(m2，n2)和(m3，n3)，能自动从大量冗余状态中选择相应开关状态。该方法简单易于实现，且谐波特性良好。

开关顺序的设计需满足下列几