基于g，h坐標系的三電平逆變器SVPWM技術研究

摘要：傳統二極管中性點箝位(NPC)三電平逆變器電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法需進行大量三角函數計算和扇區判斷，控制器運算量較大。尤其是當多電平逆變器電平數增加時，所需電壓空間矢量及控制器計算量都呈幾何倍數增加，使控制難度進一步加大。在傳統SVPWM基礎上，采用了一種基于60°g，h坐標系的SVPWM方法。該算法僅需簡單的邏輯判斷即可得到參考矢量的具體位置和合成參考矢量的最近3個矢量，大大簡化了參考電壓矢量的合成和作用時間的計算，且該方法還可在更多電平逆變器的SVPWM中推廣應用。實驗結果表明該方法的可行性和正確性。
關鍵詞：逆變器；中性點箝位；空間矢量脈寬調制

1 引言
隨著電力電子技術的飛速發展，多電平逆變器拓撲在工業領域中應用廣泛，其中NPC三電平逆變器應用最多。該拓撲結構與兩電平逆變器相比有許多優點。對于NPC逆變器，傳統SVPWM方法主要是通過扇區劃分、參考電壓矢量選擇及電壓矢量作用時間計算等步驟去合成SVPWM波形。但該方法需進行大量三角函數計算和扇區判斷，控制器運算量較大。尤其是當多電平逆變器電平數增加時，所需電壓空間矢量及控制器計算量都呈幾何倍數增加，使控制難度加大。文獻給出不同的SVPWM算法，但均存在不足。
在分析和比較常見NPC逆變器SVPWM方法的基礎上，這里采用一種基于60°g，h坐標系的SVPWM控制策略，該策略無需進行復雜的三角函數運算，僅需簡單的邏輯判斷即可得到參考矢量具體位置和合成參考矢量的最近3個矢量，可大大簡化參考電壓矢量合成和作用時間計算。且該方法同樣適用于更多電平逆變器的SVPWM。

2 NPC逆變器拓撲及工作原理
圖1為NPC逆變器拓撲。每一橋臂有4個開關管，在每一個時刻，變流器都必須有兩個開關管導通。以A相為例，允許的開關管組合為V1和
V2，V2和V3，V3和V4，其余組合都是不允許的。這3種情況對應的電壓分別為Ud／2，0和-Ud／2，該逆變器即為三電平逆變器。

3 基于g，h坐標系的SVPWM簡化算法
傳統SVPWM算法在參考電壓矢量所在扇區、小三角形區域判斷及基本矢量作用時間的求取上需進行大量計算。圖2示出各開關狀態組合與空間電壓矢量的對應關系。可見，NPC逆變器電壓空間矢量之間的角度均為60°的整數倍。由此可以想到，若采用非正交60°坐標系，將有助于簡化參考矢量合成和作用時間計算。基于60°g，h的坐標系，就是取g軸與直角坐標中的a軸重合，然后定義從g軸逆時針旋轉60°的位置為h軸。矢量在α，β坐標系和g，h坐標系的關系為：

若將三電平的基本電壓矢量變換到g，h坐標系下，即可得到60°坐標系下的三電平空間矢量圖。由于每個電壓矢量之間的角度均為60°的倍數，故變換到g，h坐標系下的所有基本電壓矢量的幅值均為整數。對于任意空間參考矢量Uref(Urg，Urh)，距離其最近的4個電壓矢量可由Uref的坐標向上、向下取整得到。即。下標U表示向上取整，L表示向下取整。不管參考矢量在平行四邊形中哪個小三角形內，對角線上的UUL和UUL都必須用到。而對于第3個矢量的選擇，可根據Urg+Urh-(UULg+UULh)的值確定。當其值大于零時，UUU是第3個矢量；當其值小于等于零時，ULL是第3個矢量。