新方法！彻底解决多电平逆变器采用SVPWM策略的通用性问题
武汉加油 共渡难关
上海大学机电工程与自动化学院的研究人员陈息坤、李婷娜，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文，提出基于两电平SVPWM的矢量移相、虚拟载波移相以及虚拟载波层叠三种简化多电平SVPWM法。新型控制策略适用于任何级联数的H桥多电平逆变器，彻底解决了模块化级联多电平逆变器采用SVPWM控制策略的通用性问题。
多电平逆变器使用低耐压开关器件即可实现高压输出，电压变化率dV/dt小、输出电压电平数多，具有效率高、电磁干扰低以及输出电压谐波特性好等优点，被广泛应用于柔性交流电传输、电机变频调速等中高压大功率场合。
相对于钳位式多电平逆变器（包括二极管钳位式、飞跨电容式多电平逆变器），H桥级联型多电平逆变器不使用钳位二极管及钳位电容，因此，不存在复杂的电容电压均衡问题；同时，每个H桥功率单元可独立控制，在输出电平数相同的情况下，H桥级联型多电平逆变器所需功率器件最少，易于实现模块化，便于拓展。因此，得到广泛的应用。
其中，空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）控制策略能明显减小逆变器输出谐波成分，降低脉动转矩，且其数字化实现方便、电压利用率高，相比于正弦脉宽控制方式优势明显。但是，其开关矢量个数随着输出电平数的增加而呈几何级数增加，因此，传统的SVPWM会占用大量的计算时间，实现难度大，且不具备级联单元模块化设计所必需的通用性。为配合级联型逆变器模块化的应用，目前，相关文献针对多电平逆变器SVPWM的通用性做了以下研究。
有学者分别采用不同的方法找到SVPWM法的零序电压，提出向三相调制波注入零序电压，并采用多载波脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）方法，从而使得逆变器性能上具备SVPWM法电压利用率高的优点。随着电平数的增加，零序分量增加且推导零序分量的过程变得越来越复杂。不同零序分量对应不同的控制效果，目前无相关研究从理论上全面分析不同零序分量所对应的控制效果。因此，零序分量的选择无所适从。
有学者提出一种基于坐标变换以及开关序列映射的SVPWM法，需要坐标变换确定参考矢量的位置，并采用两电平SVPWM法确定占空比。该方法需要一个预先存储的映射表来确定开关序列。而随着电平数的增加，开关序列数量增加。因此，在应用于更高电平数的逆变器时，需更改映射表且要求更多的内存以及更长的映射时间。
针对相关文献所需存储映射表不具备通用性的缺点，有学者提出的SVPWM法基于两个通用的映射表，生成所有可用开关状态及序列，并且提供可调开关序列和占空比两种自由度，使得多电平逆变器性能的优化具备更大的灵活性。有学者提出一种在60°坐标系下，采用最近基本矢量代替参考矢量的SVPWM法。但是近似代替会带来误差，且不同电平数对应不同的矢量表，仍有失一般性。
以上文献所提通用SVPWM法，均对多电平矢量空间进行处理，再定位并合成参考矢量。而矢量空间始终会随着级联数的增加而呈级数增长，使得计算或存储表变复杂，工程实现的便利性较差。另外一种思路是将参考矢量进行分解，再由级联单元采用两电平SVPWM合成分解的小参考矢量。
有学者针对m单元H桥级联多电平逆变器，提出将参考矢量分解成2m个具有一定相移的等幅小矢量，各单元桥臂采用两电平SVPWM法合成小矢量，并行输出合成目标参考矢量。而相关学者研究的不同之处在于：将H桥视为一个单元，各单元采用三电平SVPWM法合成小矢量。该类方法中，每单元基于低电平SVPWM法合成小矢量，并行输出，具有较强的拓展性与通用性。但是，分解的等幅矢量间存在相位差，使得总电压利用率不足1.15。
综上所述，寻求便于模块化级联多电平逆变器工程应用的控制策略，具有重要理论意义及重大应用价值。深入研究发现，基于矢量分解的思想可以衍生出一类通用SVPWM简化算法。
上海大学机电工程与自动化学院的研究人员以三相H桥级联多电平逆变器作为研究对象，对两电平SVPWM中的虚拟三角载波与调制波的控制自由度进行解构与重组，提出了基于控制自由度组合的简化SVPWM法控制思想，分析了三种基于该思想的VPS-SVPWM法、VCPS-SVPWM法以及VPD-SVPWM法。
该类控制算法采用矢量分解的手段，改变了传统控制策略在繁杂多电平矢量空间定位及合成参考矢量的惯常做法；将复杂的多电平SVPWM简化为两电平SVPWM，各单元并行输出，提高了系统合成效率与控制精度；最重要的是，该类方法彻底解决了模块化级联多电平逆变器采用SVPWM控制策略的通用性问题；更有意义的是，基于所提出的控制思想，可根据系统性能的指标需求，通过自行组合控制自由度产生相应的控制算法。最后，通过理论分析与实验验证算法的有效性与可行性。
VCPS-SVPWM及VPD-SVPWM法仅需一次简单的矢量分解，各桥臂同一时间合成同一参考矢量，因此，计算量相对于VPS-SVPWM法而言更少；同时，仿真与实验结果说明VCPS-SVPWM及VPD- SVPWM法在输出电压谐波性能上也略胜一筹。
该类控制策略的通用性为H桥级联多电平逆变器的模块化架构提供了重要技术支撑，工程上可应用于对可靠性要求较高的大功率三相电机驱动系统，如发电厂的给水系统、高炉的引风系统及石油管道的增压系统等。