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摘 要

三电平逆变器广泛应用于工业上的高压大容量交流调速领域。本文首先介绍了两电平逆变器的工作原理，阐述电压空间矢量调制技术的基本原理。然后，基于三电平逆变器的拓扑结构，详细分析了三电平逆变器的工作原理及其控制策略。提出一种新型电压空间矢量脉宽调制算法，利用转化的思想，将三电平逆变器电压空间矢量平面简化至两电平，然后再使用已经掌握的两电平的控制算法进行分析和控制。同时，针对直流侧电容电压不平衡问题，通过检测直流侧电容电压，改变小矢量作用时间来抑制中点电位波动。最后，基于Matlab/Simulink软件，搭建三电平逆变器控制系统，仿真结果表明该控制算法具有输出电压接近正弦，中点电位平衡的优点，并大大降低了开关损耗。

关键词：三电平逆变器，电压空间矢量脉宽调制，Matlab/Simulink

Abstract: Three-level inverter has been used in the field of high voltage and large capacity of AC speed regulation widely. This paper introduces the working principle of two-level inverter, the basic principle of voltage space vector modulation technology. Then, the working principle and control strategy of three-level inverter is analyzed, topological structure based on three-level inverter. Three-level inverter voltage space vector plane is simplified to two-level inverter voltage space vector plane by a new type of voltage space vector pulse width modulation algorithm. It reduces calculation greatly and can make full use of the full-blown two-level inverter controlling method to analyze and control, and it is easier to be programmed as well. At the same time, the DC capacitor voltage imbalance is solved by detecting the DC capacitor voltage, changing the small vector time to suppress the fluctuation of neutral point potential. Finally, the control system of three-level inverter is built based on the Matlab/Simulink software. The simulation results show that the control algorithm has the advantages of sinusoidal output voltage nearly, neutral point potential balancing, and reduces the switching loss greatly.

Keywords: three-level inverter，SVPWM，Matlab/Simulink

目 录

1 引言 4

1.1 电力电子器件的发展 4

1.2 多电平逆变器技术的发展 4

1.3 三电平逆变器控制策略简述 5

1.4 本文研究的主要内容 5

2 逆变器SVPWM技术 6

2.1 电压空间矢量定义 6

2.2 两电平逆变器的SVPWM算法 7

3 三电平逆变器简化SVPWM控制方略 15

3.1 三电平逆变器的拓扑结构 15

3.2 简化的SVPWM控制算法 16

3.3 中点电位平衡控制 17

4 仿真与分析 20

结论 22

参考文献 23

致谢 24

1 引言

1.1 电力电子器件的发展

器件和变换技术随着电力电子技术的发展已经历过以下四个阶段：

（1）最早出现的开关器件是晶闸管（SRC）、门极可关断晶闸管（GTO）。SRC被称为半控型器件。其特点是：当需要关断时，添加一些辅助器件或者一些相应的电路才能关断这些半控型器件，同时其本身还可以实现无源逆变。相对来说，GTO能够自行关断，不足的是，驱动自行关断的电路比较复杂，而且功率大。总的来说二者的工作电流都很大，一般常用于一些容量较大的变频器。

（2）中期出现了大功率晶体管（BJT）、场效应晶体管（MOSFET）。其中BJT被称为双极性电流驱动器件，是全控型器件。其特点是，导通压降比较小，但是本质上并未改变什么，驱动功率依然比较大而且控制电路复杂。相对来说，MOSFET是单极性电压驱动器件，其特点是：开关频率高，热稳定性好，驱动功率小且操作容易。

（3）绝缘栅双极型晶体管（IGBT），IGBT兼具MOSFET和BJT的优点，输入阻抗高，速度快，耐高压，而且驱动电路较简单。

（4）目前，市场上大量使用的主要是功率集成电路（PIC），它将保护电路，驱动电路，接口电路集中在一起。但在制造上存在着一定难度，无法达到最好的效果。高低压之间的绝缘和温升与散热也未达到工业生产要求。

1.2 多电平逆变器技术的发展

两电平逆变器的突出优点：主电路控制策略、拓扑结构以及控制方法都很成熟。缺点：由于两电平的输出电压低，因此在有大功率需求的工业中要用到变压器，变压器体积大且浪费电能，极不经济。而且要输出效果好的波形就需要尽量提高开关的频率，在大规模运用时造成的开关损耗不可不去考虑。为了满足高电压的要求，需要将器件串联起来，这时候又需要使用动态均压电路，而该电路系统复杂、效率低，又不同程度的增加了损耗。

多电平逆变器是一种新型的高压大容量功率变换器，能输出优质的波形，且无需变压器和动态均压电路，开关频率相对较低，则相应器件承受的电压小，效率也更高，较小，受广大相关厂家喜爱而被应用广泛。而二极管箝位型三电平拓扑结构除了多电平逆变器的共有优点之外，更具有功率器件少、输出波形的阶梯数目高，可以实现高性能的控制的优势，最受工业生产者欢迎，这也是它能够被广泛使用的原因。缺点是在运行过程中存在直流侧中点电位上下波动使电机等负载运行不稳的问题，同时中点电位的波动又会导致输出的电压谐波增加，使功率开关器件承受的电压忽大忽小，对器件威胁很大，严重影响器件的使用周期，给厂家增添了不少经济负担。因此找到问题并解决掉，为该类型逆变器结构的大量运用扫除障碍迫在眉睫。

目前，世界范围内对三电平逆变器控制方法的主要在以下三个方面：

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