三电平SVPWM逆变器闭环控制研究及仿真 - 《智慧电力》

2017 第45卷第10期 Vol45 No10

Smart Power 智慧电力

0 引言

近年来多电平逆变器是高压大功率应用领域

的一个研究热点在大容量功率转换领域得到了越

来越广泛的研究和应用如有源电力滤波器静止

无功补偿器大容量高压变频调速器等 [1]与两电

平逆变器相比三电平逆变器器件开关应力仅为两

电平的二分之一开关损耗显著降低随着电平输

出数增加逆变器输出电压波形更接近正弦波 [2-4]

三电平逆变器输出性能主要取决于调制算法目前

变流器的调制方法主要是脉宽调制（Pulse WidthModulationPWM）包含正弦脉宽调制（SinusoidalPulse Width ModulationSPWM）和空间矢量脉宽调

制（Space Vector Pulse Width ModulationSVPWM）技

术较 SPWM算法而言SVPWM以其电压利用率

高输出电压谐波含量低等优点在实际工程中得到

了更为广泛的应用[5-6]文献[2]文献[7]中建立了三

相对称阻感负载仿真模型来验证 SVPWM算法性

能文献[8]中基于SVPWM算法建立了以异步电机

为研究对象的开环仿真模型文献[9]中分别采用

电机负载和静态阻感负载搭建了仿真模型文献

[10]中应用开环静态阻感负载仿真模型证明算法正

基金项目国家科技支撑计划项目（2013BAE04B00）Project Supported by the National Science and Technology SupportProgram

三电平SVPWM逆变器闭环控制研究及仿真

赵龙龙常国祥李百宇（黑龙江科技大学电气与控制工程学院黑龙江哈尔滨 150022）

摘要为验证三电平SVPWM逆变器输出电压波形质量好谐波含量低对比分析了两电平SPWMSVPWM和

三电平SPWMSVPWM 不同调制方式运用MatlabSimulink软件分别对4种调制策略建立仿真模型搭建闭环

控制的三电平SVPWM逆变器模型同时对输出波形进行傅里叶分析结果表明采用三电平SVPWM算法的逆

变器输出电压电流波形正弦度较好谐波含量低且电流谐波总畸变率仅为366证明了该算法的正确性

关键词NPC三电平逆变器SVPWMSPWM Matlab仿真闭环控制

中图分类号TM464 文献标志码A 文章编号1673-7598（2017）10-0008-05

Research and Simulation of Three-level Inverter Based on SVPWMClosed-Loop Control Method

ZHAO LonglongCHANG GuoxiangLI Baiyu（School of Electrical amp Control EngineeringHeilongjiang University of Science amp Technology

Harbin 150022China）

Abstract This paper is concerned with a solution to test a better quality of output voltage waveform and a lower harmonic content forthree-level inverter based on SVPWM algorithmby analyzing the modulation strategies of SPWM and SVPWM for two-level inverteras well as the three- level inverter Meanwhileusing the MatlabSimulink simulation softwarethe paper establishes four kinds ofsimulation model for the modulation strategiesbuilds a model of closed-loop control function for the three-level SVPWM inverterandanalyzes output waveforms by FFT method The results show that the good sinusoidal wave of the output voltage and current of the three-level inverter can be obtained based on SVPWM algorithmand the total current harmonic distortion rate is only 366 It is proved thatthe algorithm is correctand has a referenced significance to some extent for further understanding of the algorithm and its realizationprocessKey words NPC three-level inverterSVPWMSPWM Matlab simulationclosed-loop control

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008

2017 第45卷第10期 Vol45 No10

智慧电力 Smart Power

确性以上文献较多采用开环控制方案验证其所

述算法的可行性

本文中采用具有闭环控制功能的三电平

SVPWM逆变器并网仿真模型在小扇区判断基

本矢量作用时间计算关键步骤中采用Matlab 函数

模块而非大量使用效率低易出错的Matlab逻辑模

块同时也对两电平SVPWMSPWM算法进行了对

比研究

1 三电平SVPWM逆变器原理

中点箝位型（Neutral Point ClampedNPC）三电

平逆变器拓扑见图1每相桥臂有4个功率管和续流

二极管2个箝位二极管每相功率管导通时总是

相邻的其他2个功率管要保证可靠关断即功率管

Sx1Sx3不能同时导通其控制极信号为互补关系同

理Sx2Sx4控制极信号也为互补关系从而使得输出

电压实际有效电平状态只有 3种情况对应 3种电

平状态（PON）电平状态与开关状态对应关系如

表1所示

图1 NPC三电平逆变器拓扑Fig 1 Topology of NPC three-level inverter

表1 电平状态与开关状态对应关系Tab1 Relationship between voltage and switch status

电平状态

PON

输出电压VUd 20

-Ud 2

Sx1

onoffoff

Sx2

ononoff

Sx3

offonon

Sx4

offoffon

定义开关变量SaSbSc为各相桥臂电平输出状

态则空间电压矢量为[11]

Sx =igraveiacuteicirc

iuml

iuml

1P状态0O状态x isin（abc）-1N状态

（1）

Vk =(Sa +αSb +α2Sc)Ud 3 =[(2Sa - Sb - Sc) + j 3(Sb - Sc)]Ud 6 （2）

式中Ud为直流侧电压α为旋转因子α = ej2π3

三相逆变器中共有 27种矢量状态形成 19个

基本空间矢量分别为零矢量短矢量中矢量长

矢量相应基本矢量幅值分别为 0Ud 3 3Ud 32Ud 3其中零矢量和短矢量有冗余矢量状态三电

平基本空间电压矢量分布如图 2所示其中Vref

Vα Vβ 分别为参考电压矢量α - β 轴电压分量

图2 三电平基本空间电压矢量Fig2 Space voltage vector for three-level inverter

2 三电平SVPWM控制策略

SVPWM算法主要通过坐标变换大扇区判断

将其他5个大扇区空间参考电压矢量相位角依次旋

转（N - 1）60∘小扇区判断邻近基本矢量作用时间

计算空间电压矢量作用顺序的确定开关状态对

应等步骤实现

21 参考电压矢量扇区判断

整个矢量空间划分为 6个大扇区每个大扇区

划分6个小扇区依据平面几何知识及参考电压矢

量所在区域约束条件可以判断出扇区位置定义

Vα =Vref cos θVβ =Vref sin θ同时引入Ur1Ur2Ur3变

量其中[12]

igrave

iacute

icirc

iumliumliumliuml

Ur1 = Vβ

Ur2 = Vα - Vβ 3Ur3 = -Vα - Vβ 3

（3）

大扇区判断规则为

N = sgn(Ur1) + 2sgn(Ur2) + 4sgn(Ur3) （4）式中sgn(Uri)为符号函数

Featured Focus 特别推荐

009

2017 第45卷第10期 Vol45 No10


其中sgn(Uri) =1Uri gt 00Uri lt 0i = 123

小扇区的判断以图2扇区 I中第5小扇区为例

具体小扇区判断规则如表2所示

表2 小扇区判断规则Tab2 Rule of judgement for small sector

Vref相位角 deg

θle30

θ gt 30

判断条件

Vβ le- 3Vα + 3Ud 2Vβ le 3Vα - 3Ud 2

否则

Vβ le- 3Vα + 3Ud 2Vβ ge 3Ud 4

否则

Vref所在小扇区

153264

基本矢量组成

V10V11V15

V11V12V15

V11V13V15

V10V13V15

V13V14V15

V11V13V15

22 基本电压矢量作用时间计算

仍以扇区 I第 5小扇区为例在 1个开关周期

内参考电压矢量Vref可以用3个基本矢量V11V12V15合成根据伏秒平衡原理相应基本矢量的作用时

间可以通过求解以下方程组得出

igraveiacuteicirc

T1V11 + T2V12 + T3V15 = TsVrefT1 + T2 + T3 = Ts

（5）式中T1T2T3为基本矢量作用时间Ts为开关周期

将α - β坐标系下基本电压矢量按照实部虚部

展开并整理可得

igraveiacuteicirc

iumliumliumliuml

T1 = 2Ts[1 - k sin(π3 + θ)]T2 = Ts[2k sin(π3 - θ) - 1]T3 = 2kTs sin θ

（6）

式中k为调制度k = 2 ||Vref 3Udθ为参考矢量相位

角0le θleπ3同理可以依次求出参考电压矢量在扇区 I中各

小区域的基本矢量作用时间并将其作为基准时

间将其他 5个大扇区空间参考电压矢量相位角依

次旋转（N - 1）60deg方可计算出所有基本电压矢量

作用时间详细过程不再赘述

23 PWM波调制

考虑减小功率管的损耗通常采用中心对称 5段或 7段式的PWM方式利用周期为 Ts 的增减计

数器与计算得到的 3个邻近基本矢量作用时间比

较并分配给对应矢量状态即可调制出各相上桥臂

功率管的PWM信号为使基本矢量作用时间和对

应开关状态分配简便一致文中采用负短矢量作为

每个采样周期的起始矢量[13]上下桥臂PWM信号

互补为避免上下桥臂功率管直通而发生短路切

换时必须保留一小段死区时间7段式PWM波形如

图3所示

图3 七段式PWM波形Fig3 Seven segment PWM waveform

3 Matlab仿真与分析

31 总体方案设计

多数文献采用开环控制方案建立仿真模型为

更加符合实际应用要求本文采用图 4所示闭环控

制框图搭建三电平SVPWM算法模型其中eabciabc分别为网侧三相测量电压逆变输出电流udq uαβ

分别为 d-qα-β坐标电压同时也分别对两电平

SPWMSVPWM 和三电平 SPWM 调制策略建立模

型并对 4种不同调制策略下输出电压波形进行傅

里叶（Fast Fourier TransformationFFT）分析三电

平 SVPWM 算法模型主要由三电平逆变主电路

SVPWM模块PI控制器LCL型滤波器三相可编程

电压源坐标变换模块组成

图4 闭环控制框图Fig4 Block diagram of closed-loop control

仿真模型参数设置仿真时间 01 s采用变步

长 ode45算法直流侧电压Ud = 500 V网侧相电压

Up = 220 V开关采样频率 fs = 6 kHz输出频率 fo =50 HzLCL型滤波器中逆变器侧电感值 500 μH网

侧电感值 100 μH电容值 5 μF三电平 SVPWM逆

变器完整仿真模型如图5所示

传统 SVPWM算法仿真模型中大量使用Matlab逻辑模块使得模块数量众多连线复杂模型大

仿真效率低易出错为解决以上问题在小扇区

判断基本矢量作用时间计算关键步骤中采用

Matlab函数模块三电平SVPWM模块如图6所示

该仿真模块主要由大小扇区判断子模块基本矢


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量作用时间计算子模块7段式矢量作用时间分配

子模块矢量作用顺序的确定子模块开关状态对

应子模块组成

图5 三电平SVPWM逆变器完整仿真模型Fig 5 Simulation model of three-level inverter based

on SVPWM algorithm

图6 三电平SVPWM模块Fig6 SVPWM module of three-level inverter

32 结果分析

为有效对比验证三电平SVPWM算法输出电压波

形质量好谐波含量低需设置相同直流侧电压采样

频率调制度等仿真参数4种不同调制方式下仿真

输出相电压线电压波形如图7所示线电压频谱分析

如图8所示经LCL滤波后输出电流波形如图9所示

图7 输出电压波形Fig7 Simulation output waveform

图8 线电压频谱分析Fig8 FFT analysis results

图9 经LCL滤波后输出电流波形Fig9 Output current waveform after LCL filtering

其中图8图9分别给出了电压电流波形的谐波总

畸变率（Total Harmonic DistortionTHD）图 7 表明三电平 SVPWMSPWM 调制策略下

输出相电压均为 9电平阶梯波线电压均为 5电平

阶梯波而两电平 SVPWMSPWM调制策略下输出

相电压均为 5电平阶梯波线电压均为三电平阶梯

波显然三电平 SVPWMSPWM调制策略输出电

压波形更接近正弦波图 8表明三电平 SVPWM调

制策略下线电压波形谐波含量最低且大大优化

了谐波频谱结构图 9表明 4种不同调制策略下

经 LCL滤波后输出电流波形已十分接近正弦波

均较大幅度改善了电流谐波程度其中两电平

SPWM调制策略下谐波电流含量最高而三电平

SVPWM算法电流谐波总畸变率仅为 366完全

符合电网谐波电流含量国家标准证明了 LCL滤

波器设计的合理性以及三电平 SVPWM算法的可

行性


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4 结论

对三电平SVPWM逆变器控制策略4种不同调制

策略下输出电压电流波形进行了详细分析[14-15]得

出三电平 SVPWM算法逆变器输出侧经滤波后电

压电流波形正弦度较好且谐波含量低验证了

SVPWM算法理论的正确性

（1）4种不同调制策略在相同仿真参数设置下

三电平 SVPWM逆变器输出电压波形质量最好十

分接近正弦波

（2）三电平 SVPWM算法逆变器输出端电压谐

波含量最低THD值可低至3874经LCL滤波后

输出电流波形已十分接近正弦波且电流谐波总畸

变率仅为366

（3）仿真模型实现了三电平 SVPWM逆变器闭

环控制功能对逆变器并网运行和单位功率因数运

行提供一定参考意义

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SVPWM方法的研究 [J]中国电机工程学报200828（24）39-45

（下转第18页）


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（责任编辑付小平）

收稿日期2017-06-11作者简介郑程拓（1991）男浙江乐清人硕士研究生研究方向为

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收稿日期2017-06-15作者简介赵龙龙（1989）男河南商丘人硕士研究生主要研究方

向为电力电子与电力传动

（上接第12页）

105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891

新能源 New Energy

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2017 第45卷第10期 Vol45 No10


确性以上文献较多采用开环控制方案验证其所

述算法的可行性

本文中采用具有闭环控制功能的三电平

SVPWM逆变器并网仿真模型在小扇区判断基

本矢量作用时间计算关键步骤中采用Matlab 函数

模块而非大量使用效率低易出错的Matlab逻辑模

块同时也对两电平SVPWMSPWM算法进行了对

比研究

1 三电平SVPWM逆变器原理

中点箝位型（Neutral Point ClampedNPC）三电

平逆变器拓扑见图1每相桥臂有4个功率管和续流

二极管2个箝位二极管每相功率管导通时总是

相邻的其他2个功率管要保证可靠关断即功率管

Sx1Sx3不能同时导通其控制极信号为互补关系同

理Sx2Sx4控制极信号也为互补关系从而使得输出

电压实际有效电平状态只有 3种情况对应 3种电

平状态（PON）电平状态与开关状态对应关系如

表1所示

图1 NPC三电平逆变器拓扑Fig 1 Topology of NPC three-level inverter

表1 电平状态与开关状态对应关系Tab1 Relationship between voltage and switch status

电平状态

PON

输出电压VUd 20

-Ud 2

Sx1

onoffoff

Sx2

ononoff

Sx3

offonon

Sx4

offoffon

定义开关变量SaSbSc为各相桥臂电平输出状

态则空间电压矢量为[11]

Sx =igraveiacuteicirc

iuml

iuml

1P状态0O状态x isin（abc）-1N状态

（1）

Vk =(Sa +αSb +α2Sc)Ud 3 =[(2Sa - Sb - Sc) + j 3(Sb - Sc)]Ud 6 （2）

式中Ud为直流侧电压α为旋转因子α = ej2π3

三相逆变器中共有 27种矢量状态形成 19个

基本空间矢量分别为零矢量短矢量中矢量长

矢量相应基本矢量幅值分别为 0Ud 3 3Ud 32Ud 3其中零矢量和短矢量有冗余矢量状态三电

平基本空间电压矢量分布如图 2所示其中Vref

Vα Vβ 分别为参考电压矢量α - β 轴电压分量

图2 三电平基本空间电压矢量Fig2 Space voltage vector for three-level inverter

2 三电平SVPWM控制策略

SVPWM算法主要通过坐标变换大扇区判断

将其他5个大扇区空间参考电压矢量相位角依次旋

转（N - 1）60∘小扇区判断邻近基本矢量作用时间

计算空间电压矢量作用顺序的确定开关状态对

应等步骤实现

21 参考电压矢量扇区判断

整个矢量空间划分为 6个大扇区每个大扇区

划分6个小扇区依据平面几何知识及参考电压矢

量所在区域约束条件可以判断出扇区位置定义

Vα =Vref cos θVβ =Vref sin θ同时引入Ur1Ur2Ur3变

量其中[12]

igrave

iacute

icirc

iumliumliumliuml

Ur1 = Vβ

Ur2 = Vα - Vβ 3Ur3 = -Vα - Vβ 3

（3）

大扇区判断规则为

N = sgn(Ur1) + 2sgn(Ur2) + 4sgn(Ur3) （4）式中sgn(Uri)为符号函数


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Vref相位角 deg

θle30

θ gt 30

判断条件


否则


否则

Vref所在小扇区

153264

基本矢量组成

V10V11V15

V11V12V15

V11V13V15

V10V13V15

V13V14V15

V11V13V15





igraveiacuteicirc





igraveiacuteicirc

iumliumliumliuml


（6）







23 PWM波调制









图3所示


























010

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应子模块组成


on SVPWM algorithm


32 结果分析
























行性


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4 结论








分接近正弦波




变率仅为366





























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2017 第45卷第10期 Vol45 No10












制201644（18） 17-23
























105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891


018

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Vref相位角 deg

θle30

θ gt 30

判断条件


否则


否则

Vref所在小扇区

153264

基本矢量组成

V10V11V15

V11V12V15

V11V13V15

V10V13V15

V13V14V15

V11V13V15





igraveiacuteicirc





igraveiacuteicirc

iumliumliumliuml


（6）







23 PWM波调制









图3所示


























010

2017 第45卷第10期 Vol45 No10




应子模块组成


on SVPWM algorithm


32 结果分析
























行性


011

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4 结论








分接近正弦波




变率仅为366





























012

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制201644（18） 17-23
























105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891105089110508911050891


018

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应子模块组成


on SVPWM algorithm


32 结果分析
























行性


011

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4 结论








分接近正弦波




变率仅为366





























012

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制201644（18） 17-23
























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018

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4 结论








分接近正弦波




变率仅为366





























012

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制201644（18） 17-23
























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制201644（18） 17-23
























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三电平SVPWM逆变器闭环控制研究及仿真 - 《智慧电力》