1 引言
高壓大功率范圍上應(yīng)用多電平逆變器相對于普通兩電平逆變器具有降低開關(guān)器件耐壓值，減小輸出電壓諧波含量的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用越來越廣泛。在上海已建成的磁懸浮鐵路的供電系統(tǒng)中的高功率變流單元就是由兩套完全一致的三電平逆變器組成，其功率器件是gto模塊。隨著igbt模塊導(dǎo)通電流，耐壓特性的不斷改進(jìn)，在以后的磁浮鐵路供電系統(tǒng)中應(yīng)用igbt作為功率器件是提高開關(guān)頻率，減小諧波含量的一種不錯選擇[1]。本文對以igbt為開關(guān)器件的二極管箝位型三電平逆變器的控制方法上進(jìn)行研究，根據(jù)一種可以減小開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)，降低了開關(guān)損耗，減小dv/dt的空間矢量pwm算法[2]，在matlab上建立了詳細(xì)的仿真模型，給出了扇區(qū)判斷的算法和脈沖生成的原理，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。

2 二極管箝位型三電平逆變器的工作原理
2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
二極管箝位型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，采用12個可關(guān)斷功率器件和6個箝位二極管，在直流側(cè)含有兩個相同的分壓電容，每個電容的電壓為vcd/2。由于箝位二極管的存在，每個開關(guān)器件上承受的電壓被限制在一個電容電壓vcd/2上。相對兩電平而言，三電平逆變器的主開關(guān)管的數(shù)量多了一倍，使得控制系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，但開關(guān)器件的最大承受電壓只有兩電平時的一半，大大降低了對開關(guān)器件耐壓等級的要求。

圖1 二極管箝位型三電平逆變
2.2 三電平逆變器的輸出狀態(tài)
這時u、v、w各相分別有三種輸出狀態(tài)。以直流電源中點(diǎn)為參考點(diǎn)，當(dāng)s1u、s2u開通，s3u、s4u關(guān)斷時，輸出直流電源的最高電平＋vcd/2，定義為狀態(tài)p; 當(dāng)s2u、s3u開通，s1u、s4u關(guān)斷時輸出中點(diǎn)電位，定義為狀態(tài)c; 當(dāng)s3u、s4u開通，s1u、s2u關(guān)斷時，輸出最低電位-vcd/2，定義為狀態(tài)n。開關(guān)管s1u與s3u互補(bǔ)，s2u與s4u互補(bǔ)。將三相三種輸出狀態(tài)組合，則三電平逆變器能輸出3×3×3=27種不同的輸出狀態(tài)。
2.3 空間電壓矢量調(diào)制
按照空間矢量合成公式:

(1)

計算上面所述的27種狀態(tài)合成為空間電壓矢量，就得到圖2所示的六邊形(又稱菱形)空間電壓矢量圖。

圖2 空間電壓矢量圖
從圖2中可以看到，三相三電平逆變器共有27個開關(guān)狀態(tài)，逆變器的輸出電壓分別對應(yīng)著19個特定的空間電壓矢量，將整個矢量空間分成了24個小扇區(qū)，每4個小的扇區(qū)組成一個大扇區(qū)，共6個大扇區(qū)。這19種特定的空間電壓矢量可以分為四大類:零矢量(如ccc)、短矢量(如pcc)、中矢量(如pcn)和長矢量(如pnn)，分別對應(yīng)著3個、2個、1個和1個不同的開關(guān)狀態(tài)，也就是說零矢量和短矢量是具有冗余開關(guān)狀態(tài)的。各個開關(guān)狀態(tài)及其形成的空間電壓矢量標(biāo)注在圖2中。
三電平空間矢量pwm調(diào)制算法的流程圖如圖3所示。其中m為調(diào)制比，，limit1到limit4是邊界條件。

3 一種減小開關(guān)損耗，避免高dv/dt的優(yōu)化算法
3.1開關(guān)狀態(tài)作用時間的確定

圖3 三電平svpwm算法流程圖
以第一個大扇區(qū)(0°-60°)為例，參考電壓矢量vref是由所在小扇區(qū)的三個電壓矢量合成的，設(shè)這三個電壓矢量為vx，vy,vz，作用時間分別為tx，ty，tz，則:

(2)

令x＝, y=, z=。若vref屬于小扇區(qū)1，則它由vo(ppp,ccc,nnn)，v1(pcc,cnn)，v2(ppc,ccn)合成，作用時間分別為z，x，y。

若vref屬于小扇區(qū)2，則它由v1(pcc,cnn), v2(ppc，ccn)，v7(pnn)合成，作用時間分別為x，y，z。

若vref屬于小扇區(qū)3，則它由v1(pcc,cnn)，v7(pcn)， v13(pnn)合成，作用時間分別為z，y，x 。

若vref屬于小扇區(qū)4，則它由v2(ppc,ccn)，v7(pcn)， v14(ppn)合成，作用時間分別為z,x,y。

其他大扇區(qū)的時間計算可以歸到第一個大扇區(qū)來計算。
3.2 開關(guān)狀態(tài)的選擇與作用順序
在三電平逆變器中，由于零矢量和短矢量冗余開關(guān)狀態(tài)的存在，使得一個電壓矢量對應(yīng)于三個或兩個開關(guān)狀態(tài)。因此利用冗余開關(guān)狀態(tài)并合理安排各個開關(guān)狀態(tài)的作用順序，可以達(dá)到減少開關(guān)器件的動作次數(shù)，減小開關(guān)損耗的目的。開關(guān)順序基本原則是:每當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，只引起三相中的某一相電壓發(fā)生變化，并且只有驅(qū)動信號互補(bǔ)的兩個開關(guān)管發(fā)生變化，這樣就減少開關(guān)損耗。另外從開關(guān)狀態(tài)的變化中可以看出每相狀態(tài)變化時沒有p與n之間的直接切換，只有p與c或者n與c之間的切換，從而避免了高的dv/dt。根據(jù)上述方法，當(dāng)vref落在小扇區(qū)1-4中時，作用矢量的順序與各矢量作用時間安排如附表所示:
附表 矢量作用順序與時間

小扇區(qū)1 ppp ppc pcc ccc pcc ppc ppp
0.25z 0.5y 0.5x 0.5z 0.5x 0.5y 0.25z
小扇區(qū)2 ppc pcc pcn ccn pcn pcc ppc
0.25y 0.5x 0.5z 0.5y 0.5z 0.5x 0.25y
小扇區(qū)3 pcc pcn pnn cnn pnn pcn pcc
0.25z 0.5y 0.5x 0.5z 0.5x 0.5y 0.25z
小扇區(qū)4 ppc ppn pcn ccn pcn ppn ppc
0.25z 0.5y 0.5x 0.5z 0.5x 0.5y 0.25z

4 三電平svpwm仿真模型的建立
三電平svpwm模型由扇區(qū)判斷與脈沖生成兩大部分組成，扇區(qū)判斷部分的算法如圖3所示。脈沖生成模塊pulse內(nèi)部由24個小模塊和一個數(shù)據(jù)選通器組成。24個小模塊對應(yīng)相應(yīng)的小扇區(qū)，用于計算當(dāng)目標(biāo)矢量落在該扇區(qū)時，合成矢量的作用時間x，y，z，然后根據(jù)各個矢量分段后的安排順序生成12路脈沖。圖4是pulse模塊原理圖,圖5為小模塊1的原理圖，圖6是小模塊1內(nèi)的pulse_generator的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。在圖6中可見，s1u管的脈沖由單極性的等腰三角波(由repeat_sequnce生成，頻率為載波頻率，高度為1)與(0.25z+0.5y+0.5x)*2高度的電平相比較產(chǎn)生，s3u的脈沖與s1u的互補(bǔ)，s4u管的脈沖為0,s2u的脈沖與s4u互補(bǔ)。

5 仿真參數(shù)及結(jié)果
仿真用鼠籠異步機(jī)的主要參數(shù)為:額定頻率50hz，額定電壓600v(線電壓有效值)，額定功率3730w，定子電阻1.115ω，轉(zhuǎn)子電阻1.083ω，定子電感0.005974h，轉(zhuǎn)子電感0.005974h，互感0.2037h，極對數(shù)2。仿真條件為:開關(guān)頻率fs=5khz，調(diào)制波頻率fref=50hz，調(diào)制比m=0.75。

圖4 pulse模塊原理圖

圖5 小模塊1原理圖

圖6 pulse_generator原理圖
穩(wěn)定運(yùn)行時的逆變器和電機(jī)的工作狀態(tài)如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 逆變器輸出線電壓波形

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形(x軸t/s，y軸n/rpm)

圖9 電機(jī)定子電流波形(x軸t/s，y軸i/a)
從上面的仿真波形中可以清楚地看出線電壓為三級階梯pwm波，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，定子電流正弦波形良好。

6 結(jié)束語
通過上述分析和仿真結(jié)果可有效地證實(shí)本文提出的控制算法的有效性和所建模型的正確性。