错时采样空间矢量调制（STS-SVM）的工作原理详解

三相正弦波电压表达式可改写为

按前面所述，对于如式（6-34）定义的三相正弦波，其合成电压空间矢量可以表示为

式中 M——相电压幅值；

f——电源频率；

β——单位方向矢量，β=j2π/3。

可见u（t）是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，当频率不变时，以电源角频率2πf为电气角速度做恒速同步旋转。如果对三相相电压u_a、u_b、u_c进行采样，其采样频率为f_s（T_s=1/f_s），则离散矢量u可表示为

式中 φ（k）——在第k个采样周期所对应的位置角。

当k在0～K（K=f_s/f，即频率调制比）范围内变化时，u（k）在复平面上就形成了一系列的离散矢量，如图6-24所示。在三相PWM逆变器中，知道由三相桥臂6个开关的不同工作状态可以得到8个基本矢量：6个有效的非零矢量和2个零矢量，这是常规SVPWM的基本原理。实际上，式（6-35）给出的采样点分布并不是唯一的，理论上可以有无数种采样点分布，只要这些分布满足式（6-37）的条件。

图6-24 离散的电压矢量图(www.xing528.com)

式中 θ——初始采样偏移角度，0≤θ≤2π/K，即在式（6-37）中引入了初始采样偏移角θ。

图6-24a对应于式（6-37）的离散矢量的分布图，也就是θ取0时的情况，图6-24b是θ不取0时的情况。可见θ取不同的值，就会得到不同的采样点。

图6-25 N级多单元功率单元级联型逆变器

在如图6-25所示的N级三相级联型多电平电路中，每个逆变器单元均为一个单相全桥逆变器，具有三电平开关状态见[注2]。STS-SVM技术的调制方法就是借鉴载波移相技术[注3]将各个逆变器单元的采样时间错开。具体地讲，N个逆变器单元在相同频率调制比K、幅度调制比M下，分别进行SVPWM调制，各个采样时间相互错开，即式（6-37）中的θ不同，在每个单元内左右桥臂的采样时间错开Δt_桥内=T_s/2，即θT_in=π/K，逆变器单元之间则采用桥间STS-SVM控制，相邻两个逆变器单元同侧桥臂的采样时间相互错开Δt_桥间=T_s/2N，即：θt_out=π/KN。采用这种调制方式，每个逆变器单元的输出为三电平，N级三相级联型多电平逆变器的相电压输出为2N+1电平，每个开关器件的等效开关频率提高2N倍。

STS-SVM技术是对各个桥臂分别进行调制，并不直接控制总的输出的电压矢量。在调制过程中，只需保证各桥臂调制信号本身的对称性和均衡性，就能保证总的开关负荷的均衡性和总输出波形的对称性。在对应于同一电压矢量的不同开关状态的选择上完全是自动的，而在多电平SVPWM中这种选择是非常复杂的。与多电平SVPWM技术相比，STS-SVM具有开关负荷均衡、等效开关频率高、输出低次谐波成分少等优点。

图6-26所示分别为基于STS-SVM技术原理的三电平三相逆变器的仿真和实验波形，验证了该理论的正确性。实验装置的主电路中独立直流源采用二极管不控整流。

图6-26 三电平STS-SVM三相逆变器的输出线电压实验波形及其频谱（K=21，M=1）

a）线电压波形 b）线电压频谱