三电平三相逆变器27空间矢量速记法.docx
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三电平三相逆变器27空间矢量速记法
三相三电平逆变器
空间电压矢量速记法
张庆范
山东大学
二极管中点箝位式NPC（NeutralPointClamped）三相三电平逆变器,每相桥臂有四个电力电子器件T1、T2、T3、T4，四个续流二极管D1、D2、D3、D4，二个箝位二极管D5、D6。
每相桥臂可以安排三种开关状态，若用Sa、Sb、Sc表示A、B、C三相桥臂的开关状态，则Sa、Sb、Sc应是三态开关变量。
用Sa变量表示A相桥臂开关状态。
若T1、T2断，T3、T4通，Sa=0，A接电源负端，Va0、=-VD/2
若T1、T4断，T2、T3通，Sa=0，A接电源0端，Va0、=0
若T3、T4断，T1、T2通，Sa=0，A接电源正端，Va0、=+VD/2
A相桥臂开关Sa开关变量状态
Sa1
（T1）
Sa2
（T2）
Sa3
（T3）
Sa4
（T4）
VA0
输出电压
Sa
开关状态
1
1
0
0
+VD/2
2
P
0
1
1
0
0
1
O
0
0
1
1
-VD/2
0
N
定义三相桥臂三态开关变量SaSbSc，每相桥臂开关Sa、Sb、Sc都有三种开关状态0、1、2（或N、O、P，-1、0、1）。
Sa=0、1、2Sb=0、1、2Sc=0、1、2
2
Sa
2
Sb
2
Sc
1
1
1
0
0
0
三相三电平逆变器共有33=27种开关状态，开关状态为（SaSbSc）3，每一种开关状态（SaSbSc）都对应一组确定的电压Va0、Vb0、Vc0，从而对应一个确定的空间电压矢量V。
对应的27个特定空间电压矢量是V0、V1、…、V26，定义矢量（SaSbSc）的各个矢量为：
V0（000）,V1（001）,V2（002）,V3（010）,V4（011）,V5（012）,V6（020）,V7（021）,V8（022）,V9（100）,V10（101）,V11（102）,V12（110）,V13（111）,V14（112）,V15（120）,V16（121）,V17（122）,V18（200）,V19（201）,V20（202）,V21（210）,V22（211）,V24（220）,V25（212）,V26（221）,V27（222）。
以上用文字叙述的方法记住这27种空间电压矢量，确实是件不容易的事，不如发明一种新的快速记忆方法——空间电压矢量速记法。
空间电压矢量速记法
C相3列9行0、1、2
B相9行3列0、1、2
A相9行3列0、1、2。
sa
sb
sc
sa
sb
sc
sa
sb
sc
V0
0
0
0
0
0
1
0
0
2
V3
0
1
0
0
1
1
0
1
2
V6
0
2
0
0
2
1
0
2
2
V9
1
0
0
1
0
1
1
0
2
V12
1
1
0
1
1
1
1
1
2
V15
1
2
0
1
2
1
1
2
2
V18
2
0
0
2
0
1
2
0
2
V21
2
1
0
2
1
1
2
1
2
V24
2
2
0
2
2
1
2
2
2
A相输出端A对电源终点0的电压Va0可用A相开关变量Sa与直流输入电压VD表示。
Va0=（Sa-1）/2Sa=0、1、2,Va0=-VD/2、0、+VD/2。
输出线电压为：
Vab=Va0-Vb0=（Sa-Sb）/2。
3.DC/DC变换电路直流斩波电路
Buck降压斩波电路
Boost升压斩波电路
Buck-Boost两象限可逆直流斩波电路
四象限直流斩波电路
（a）多电平变换器的基本单元（b）基本单元的串联（c）基本单元的并联
图1-14多电平变换器的基本单元及其串、并联
4.DC/AC变换电路
单相逆变电路画出两基本单元电路的并联电路图；
三相逆变电路画出三基本单元电路的并联电路图；
三相电压型逆变器
三相三电平逆变器
利用两个IGBT器件（两桥臂）串联电路作为基本单元，设计IGBT变换器电路。
二极管箝位三电平三相电压型（IGBT）逆变器。
画出一相（两基本单元电路的串联）主电路电路图。
空间矢量PWM方法（SVPWM）
多电平SVPWM方法和两电平SVPWM方法一样，是一种建立在空间矢量合成概念上的PWM方法。
多电平SVPWM方法是由两电平SVPWM推广所得到的。
以三相三电平电路为例，它的每一相可输出正（P）、零（O）、负（N）三种状态，如果将三相的3种状态进行组合，则三相三电平逆变器可能输出3³=27种状态，由此可画出三相三电平的六角形空间矢量图，如图1-18所示。
其中24种为非零矢量（有六种空间位置重合），3种零矢量，这24种非零矢量将圆周分为12个30°区域（两电平是6个60°区域）。
并且空间电压矢量的模不再是如两电平中固定为直流侧电压Vdc，而是有Vdc、
Vdc/2、Vdc/2三种情况。
因此，可以认为多电平逆变器空间电压矢量法的控制思想与两电平SPWM是一致的：
对某一个参考电压矢量，用所在区域相应的电压矢量适时合成，切换所得。
不同点在于多电平SVPWM的电压矢量更“密集”，模大小可选择的种类更多，合成时“过渡”更自然，所合成磁链更接近圆磁场，因而控制更精确，输出电压谐波更小。
空间电压矢量法是一种较为优越和应用广泛的多电平逆变器PWM方法，其优越性表现在：
在大范围的调制比内具有很好的性能；无需其它控制方法所需存储的大量角度数据；直流电压利用率高等。
当然这一方法应用在五电平以上的场合，会存在控制算法过于复杂的问题。
图1-18三相三电平空间矢量图
一.1.1.二极管箝位型多电平逆变器[5][6][7][8]
图1-1所示是二极管箝位型五电平逆变器的单臂电路结构。
分压电容
，因此
；每相桥臂有8个开关器件S1－S8串联，每4个开关器件同时处于导通或关断状态，其中（S1，S5）、（S2，S6）、（S3，S7）、（S4，S8）为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个一定关断；反之亦然；Dc1，Dc1’,Dc2，Dc2’,Dc3，Dc3’为箝位二极管。
五电平逆变器的输出电压及其对应的开关状态如表1-1所示。
对于n电平的二极管箝位型逆变器拓扑，每个桥臂需要（n-1）个直流分压电容，2（n-1）个主开关器件，（n-1）（n-2）个箝位二极管。
通过组合三个相同的单臂电路，利用相同的分压电容，可以容易得到三相电路，如图1－2所示。
表1-1二极管箝位型五电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系
输出电压
开关状态
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
Vdc/2
1
1
1
1
0
0
0
0
Vdc/4
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
－Vdc/4
0
0
0
1
1
1
1
0
－Vdc/2
0
0
0
0
1
1
1
1
（“1”表示开关器件导通状态，“0”表示开关器件关断状态）
图4－6混合二极管箝位级联型多电平拓扑
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