级联型逆变器的新型多电平SVPWM研究

林青松，刘跃敏，兰冠鹏，范波，2

（1.河南科技大学 电信学院，河南 洛阳 471003；2.中信重工机械股份有限公司，河南 洛阳 471003）

1 引言

目前多电平SVPWM的研究，主要集中在错时采样SVPWM。错时采样 SVPWM（STSSVPWM）技术是结合传统两电平SVPWM技术，而得到的一种适合级联型多电平逆变器的多电平空间矢量调制方法。

本文对STS－SVPWM的调制机理进行研究，针对其不足之处，应用一种新型简化多电平PWM技术，即单元矢量延时叠加SVPWM（overlap time staggered－SVPWM，OTS－SVPWM）技术，并将其应用于级联型逆变器中，通过仿真和实验验证了方案的可行性和实用价值。

2 STS－SVPWM 技术

错时采样SVPWM（STS－SVPWM）技术是将各个级联功率单元的采样时间错开一个固定的时间，以达到各个级联单元输出电压矢量相互错开的目的。即级联型逆变器的总输出电压矢量可以看作是各个功率单元输出的小电压矢量的总和，各个小电压矢量的幅值相同，只是在空间上相差一定角度。

对于STS－SVPWM技术，一级单元逆变电路的2个桥臂开关信号均需采样计算，总采样频率为左桥臂采样频率的2倍，对于N单元级联型逆变器，采样频率为左桥臂采样频率的2 N倍，说明采样频率随级联数目的增加成比例增加，采样周期成比例减小，这无疑提高了对控制芯片运算性能的要求，限制了逆变器的级联数量。

3 OTS－SVPWM 技术

从调制方法的结果来看，错时采样得到的多电平PWM输出，相当于对输出电压相位进行了移动，而与对同一个矢量通过适当的延时发送，得到的多个PWM输出几乎一模一样。而延时发送与前者相比，几乎不占用系统内存，与采样频率和级联数目无关，算法实现和实时性都会非常好。

从调制原理上讲，通用的两电平SVPWM基于矢量合成，必须是三相生成。为此，需要一些特殊处理，才能应用到H桥。从两者功能的实现上，即三相的角度来分析，三相一单元H桥和三相通用桥都可以让电机转，那么，它们在结构上应有共同点。可以把H桥左右桥臂分开来看待，如果对左右桥臂分开控制，3个左右桥臂相当于2个三相桥。从实现的安全性角度，只要保证同一个桥臂上下2个开关管不直通，即取反的关系即可。分开控制与这个安全性要求不冲突。

具体实现上，对单个桥臂施加SVPWM，得到正电平和零电平交替的两电平信号。如果对SVPWM信号进行逻辑取反得到负电平和零。这时H桥输出的是2倍幅值的正电平和零电平交替的两电平信号。如果加上一定的延时，再逻辑取反，即可得到正，零，负交替的三电平PWM信号。

OTS－SVPWM技术的采样频率只是第1个桥臂的采样频率，不随级联数的增加而增加，因此并不额外增加CPU的工作量，而输出电压性能影响不大，因而应用于级联型逆变器拓扑中，具有明显优势。使得研究者可以把主要精力集中在控制策略的改善上，从而极大地促进了级联多电平SVPWM技术的实用化进程。

4 仿真及分析

为简化起见，仿真采用 Matlab7.1自带的SVPWM发生器，对 STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM进行对比研究。通过仿真，验证了OTS－SVPWM技术良好的控制效果。

4.1 级联型STS－SVPWM技术仿真研究

STS－SVPWM技术电压利用率高，且便于数字实现。但由于其基于错时采样和矢量合成，需要非常大的系统资源和强大的CPU运算能力。出于实时性控制考虑，本文取级联单元数为3，其总体结构、主电路及脉冲分配如图1～图3所示。

图1 STS－SVPWM总体结构图Fig.1 The structure of STS－SVPWM

图2 三相3单元STS－SVPWM主电路Fig.2 Three－phase 3unit main circuit of STS－SVPWM

图3 三相3单元STS－SVPWM脉冲分配图Fig.3 Three－phase 3unit pulse allotment of STS－SVPWM

图4中，仿真参数如下：直流电压为400V，SVPWM调制度m＝0.90，采样频率fs＝10 kHz。输出相电压UA为1200V、7电平的阶梯波形，线电压UAB为2400V、13电平阶梯波形。且线电压UAB，UBC，UCA互成120°。从波形上可以看出，线电压上下半周输出电压波形略有不同，出现一定的脉冲混叠现象。若想保持平衡，须增大采样频率。而这个受限于CPU运算速度和系统实时性要求。如果继续增大级联数目，对CPU运算能力的要求更高，实时性更差。

图4 三相3单元STS－SVPWM仿真图Fig.4 Three－phase 3unit of STS－SVPWM waves

4.2 级联型OTS－SVPWM技术仿真研究

OTS－SVPWM 和STS－SVPWM 主电路结构完全一样。其差别仅在于脉冲发生器的处理上。OTS－SVPWM技术由于其基于矢量合成和依次延时发送环节，只要延迟环节取得合适，其不会出现STS－SVPWM常有的脉冲混叠现象。叠加形成的多电平SVPWM波形更加趋于正弦波，谐波含量更少。其相应的问题是脉冲量比STS－SVPWM少一些。仍以三相3单元为例，其总体结构和脉冲分配如图5、图6所示。

图5 OTS－SVPWM总体结构图Fig.5 The overall structure of OTS－SVPWM

图6 A相3单元OTS－SVPWM脉冲分配图Fig.6 A－phase 3unit pulse allotment of OTS－SVPWM

两电平SVPWM是通过空间矢量变换得到的，SVPWM的延时发送必须加布尔代数的逻辑取反得到。考虑到信号的延迟造成的积累误差。这里延迟时间依次增大0.1Ts。即第一个延迟单元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，3。

图7中，仿真参数和仿真输出的波形幅值及相位关系与图4中的完全一样。但OTS－SVPWM仿真时间比STS－SVPWM快得多。输出波形质量也较STS－SVPWM理想，没有脉冲混叠现象。

图7 三相3单元OTS－SVPWM仿真图Fig.7 Three－phase 3unit of OTS－SVPWM waves

随着级联数目的增加，采样周期和单元延迟时间均应适当减小。如果处理不当，很容易造成电平的跳变和电平间的相互抵消。

图8中，直流电压为577V，SVPWM调制度m＝0.90，采样频率Ts＝8×10－5s。这里，第一个延迟单元unitdelay＝0.00004s，unitdelay（N＋1）＝unitdelay1＋0.1 N×Ts。N＝0，1，2，…，11。输出相电压UA为3500V的13电平阶梯波形，线电压UAB为7000V的25电平阶梯波形。尽管线电压近似UAB，UBC，UCA互成120°，但存在电平波动，波形质量较差。

图8 三相6单元OTS－SVPWM仿真图Fig.8 Three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

如果采用改进的SVPWM发生器，并且把各单元延迟时间一律改为0.00003s。其他电路结构和参数与图5一样。则可在一定程度上缓解这种情况。SVPWM脉冲发生器和输出波形如图9、图10所示。

图9 改进的SVPWM发生器Fig.9 The improved SVPWM pulse generator

图10 改进的三相6单元OTS－SVPWM仿真图Fig.10 The improved three－phase 6unit of OTS－SVPWM waves

图10中，幅值和相位情况与图8一致，但没有较大的电平波动和缺失，波形对称性良好，得到了近乎完美的多电平SVPWM输出。

比较 STS－SVPWM 和 OTS－SVPWM 仿 真情况如下。

1）OTS－SVPWM 的仿真速度比 STS－SVPWM快得多。OTS－SVPWM仅第一个桥臂需要矢量运算，其后续的实现，只要统一加逻辑运算即可。而STS－SVPWM每个桥臂都需要采样和矢量运算，占用系统资源，仿真时间很慢。如果有N个单元的三相逆变桥。OTS－SVPWM的运算速度是STS－SVPWM 的2 N 倍。OTS－SVPWM便于实时控制和集成控制。

2）OTS－SVPWM技术由于其基于矢量合成和依次延时发送环节。只要延迟环节取得合适，其不会出现STS－SVPWM常有的脉冲混叠现象。叠加形成的多电平SVPWM波形更加趋于正弦波，谐波含量更少。其相应的问题是脉冲量比STS－SVPWM少一些，同时需存在一定的延迟，在系统其它参数一致的情况下，其脉冲缺失的情况比 STS－SVPWM 严 重。可 见，OTS－SVPWM以牺牲一定的脉冲数量，来换得更为理想的输出波形。

3）随着级联数目的增加，OTS－SVPWM延迟环节的考虑更加复杂，一般而言，需要更小的延迟时间和更高性能的SVPWM脉冲发生器才能实现其控制效果。OTS－SVPWM技术应用在高压领域，尚有一些难题。但其便于实时控制和集成控制的优点，是STS－SVPWM所无法比拟的。因此，OTS－SVPWM技术将是研究的热点。

5 实验及分析

鉴于实验室条件限制，采用三相一单元级联型H桥结构为实验平台。主电路采用3个富士IPM－7MBP75RA120，只用其前两路构成H桥结构，通过和3个30V的直流稳压电源互连，构成三相一单元结构。控制器采用 DSPTMS320F2812，其共有12个PWM输出口，刚好可以满足三相一单元结构的OTS－SVPWM脉冲实现。

采用5段式硬件生成模式得到两电平三相SVPWM波，采样周期为10kHz。通过逻辑延迟生成多电平SVPWM波。最终得到相电压30V的3电平波形和线电压60V的5电平波形。电机为额定相电压220V，额定电流8.8A。带电机空载的逆变器实验波形如图11、图12所示。

图11 相电压UA波形图Fig.11 Phase voltage UAwaveform

图12 线电压UAB波形图Fig.12 Line voltage UABwaveform

OTS－SVPWM在作用效果上，完全可以与STS－SVPWM相媲美。通过带电机负载测试发现，在效果上，采用三相一单元H桥结构的5电平OTS－SVPWM比直接加相同幅值的两电平SVPWM使电机运行更平稳，噪声更小。

6 结论

OTS－SVPWM技术以其实时性好和算法简单的优势，在一定采样频率和级联单元下，比STS－SVPWM技术更加具有实用价值。考虑到FPGA等逻辑处理芯片在逻辑处理方面具有的优势，采用DSP＋FPGA的方案可以实现多单元高压 OTS－SVPWM 技 术。总 之，OTS－SVPWM技术在高压变频器领域有着广阔的应用前景。

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