一种改进的七电平逆变器对比仿真研究

孙长冬 黄松清 刘绪良 谢玉干 龙佼佼

（安徽工业大学电气信息学院，安徽 马鞍山 243002）

1 引言

近年来，多电平结构大量应用于高压大功率等场合，主要是多电平逆变器由于其电平数多、开关频率低、输出谐波小等特点，因此越来越受到重视，并得到迅速发展。到目前为止，各国学者提出了大量的拓扑结构，归纳起来主要有三种：二极管钳位型、飞跃电容型多电平逆变器、级联型。

传统的逆变器由于输出的PWM脉冲波电平数很少，因此存在很高的电压变化率和共模电压，而且波形谐波含量较大，使得输出滤波器的设计更加复杂。为了解决这些问题，发展了各种多电平逆变器电路。所谓多电平逆变器，就是采用多个直流电源和电力电子器件经过特定的拓扑变换，控制不同的直流电源输出，将其组合成不同幅值的多电平交流输出的功率变换装置。这种逆变器在高压大容量电力电子系统中发展迅速，成为电力电子领域新的研究热点。自1980年日本学者A.Nabse提出三电平中点钳位式逆变电路以来，经过多年的发展，现已形成钳位型和级联型两大类多种样式的多电平逆变器拓扑结构。丰富了多电平逆变电路的拓扑形式。

本文结合传统两电平逆变器和嵌位多电平逆变器的拓扑结构，取长补短，既采用了两电平电路结构，也吸取三电平钳位的优点，以及当今非对称电路拓扑的研究的特性，提出本文所研究的七电平逆变器的拓扑结构，并对分析了电路的工作原理，通过Matlab对其仿真，用简单的硬件电路验证了分析和仿真的正确。此电路和三电平逆变器的单相所用的开关管数量相当，钳位二极管减少，但是电平数增加到七电平。

2 电路拓扑

图1给出了单相7电平逆变器的电路拓扑和5电平电路拓扑，7电平电路也正是在5电平电路的基础之上，5电平工作过程见参考文献[1]，结合钳位3电平逆变器，才产生的本文的研究电路拓扑，增加2个开关管，电平数也增加2个，控制方法大致相同。本文主要是对7电平逆变器进行分析和研究，左边的7电平电路拓扑的前边 Q3，Q4组成的桥是传统的2电平单相桥，后边的 Q5，Q6，Q7，Q8桥是钳位3电平的单向桥，用 Q1，Q2对电源进行控制，通过对此拓扑进行适当的控制，产生期望的7电平。主要是通过控制开关的导通，让电源叠加，产生7电平。7电平仅仅是将后板桥换成了钳位3电平的形式，可以再换成钳位5电平，可以产生11电平。依次类推可知，如果换成钳位七电平逆变器的半桥可以产生15电平。同样如果换成理想的钳位N电平逆变器，可以产生（2N+1）个电平。电平数越高，需要的独立电源也越多，控制也会变的更加复杂。

图1 5电平逆变器电路拓扑和改进的7电平电路拓扑

3 拓扑的工作原理

5电平逆变器的工作原理在此就不再分析，重点分析7电平逆变器的工作原理，图1有7种工作形式，本文主要对下面这7种工作状态进行了分析和研究。

（1）第1种工作状态，令Q3和Q6导通，其余的开关管关闭。电流从电源V2的正极开始，通过Q2的反并联二极管，以及Q3和Q6，还有嵌位二极管D2形成电流回路，最后流回电源V2的负极。输出电压为+V2。

（2）第2种工作状态，在Q3和Q6导通的基础上，再令Q8导通，从电源V2的正极开始，通过这三个开关管，流回V3的负极，逆变器输出电压为+(V2+V3)。

（3）第3种工作状态，在以上开关管导通的基础之上，再打开Q1，电流从电源V1的正极开始通过Q1，Q3，Q6，Q8流回电源V3的负极，逆变器输出电压为+(V1+V2+V3)。

（4）第4种工作状态，令Q2导通，其余的开关管都关闭，电流通过Q2，然后通过Q4，Q5，Q6的反并联二极管，形成续流回路，此时输出电压为0，还有其他的0导通状态，此处不再分析。

（5）第5种工作状态，令Q4，Q5导通，其它开关都关闭，电流从V3的正极开始，通过钳位二极管D1，以及Q4，Q5，最后流回V3的负极。逆变器输出电压为-V3。

（6）第6种工作状态，在第5种工作状态的基础之上，再令Q7导通，电流从V2正极开始，经过Q2的反并联二极管，再通过Q4，Q5，Q7流回电源V3的负极，逆变器输出电压为-(V2+V3)。

（7）第7种工作状态，令Q1，Q4，Q5，Q7导通，其余都关闭，电流从电源V1的正极流出，通过Q1，Q4，Q5，Q7后，流回 V3的负极，逆变器输出的电压为-(V1+V2+V3)。

（8）第8种工作状态，令Q2导通，其余开关管都关闭，形成电流的续流回路，逆变器输出的电压为0。

4 电路拓扑的控制原理

一种拓扑结构，必须采用合适的调制方法，才能得到期望的输出，不同主电路结构的逆变器都对应有一定的调制方法。本文采用SHEPWM，作为该拓扑的调制方式。该方式的思想是通过傅里叶级数分析，得出特定开关角下的傅里叶级数展开式，然后令某些特定的低次谐波为零，从而得到一个反映N个开关角的N个非线性独立方程，按求解的开关角进行控制，必定不含这些次数的谐波。通常这种方法着眼于低次谐波和低频次非3倍次谐波。假设V1= V2= V3=E，图2明显满足狄利克雷充分条件，又属于1/4周期对称的波形，所以傅里叶级数不存在余弦项和偶数谐波。于是可得

式中，uab是期望输出的相电压波形。

将式（1）展开，并解此积分，可得

图2 逆变器输出电压波形

令u=(-1)i+1cosnai为调制比，其值的大小决定了直流电压利用率的大小。由式（2）可列出非线性方程为

根据式（3），并利用牛顿迭代法，即可解出a1、a2、a3的值，从而实现电路的SHEPEM控制。现利用Matlab7.1中的相关数学工具，解出了不同调制比下a1、a2、a3的值。算出角度后，用一个常量代替角度值，与固定周期的正弦波相交，就可以产生相对应的驱动波形。

5 仿真结果

图3是通过Matlab6.5建立的系统仿真模型，a为5电平逆变器的仿真模型，b为7电平逆变器的仿真模型，每个直流电源的电压为100V，5电平逆变器的最大直流电压为400V而7电平逆变器的直流最大电压为300V，设置频率为50Hz，仿真结果如图4。取了前0.1s的输出波形。拓扑电路的驱动的搭建比较复杂，基本原理就是用正弦波和计算出来的具体角度值的差值，产生驱动。从输出的仿真实验结果可以看出，7电平逆变器的波形更加近似正弦波。能够按照预期的控制方法输出波形。

图3

图4 逆变器输出电压波形

6 结论

改电路是对原有的五电平逆变器电路拓扑的改进，控制思路简单，产生的电平数高，通过了软件仿真设计和单相电路的研究，三相电路的控制还在进一步的研究，实验结果表明，这种电路能够在控制合理的条件下正常工作，且输出稳定。应用于大功率场合更能体现多电平的好处。

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