基于Matlab/Simulink的级联多电平变频电源仿真研究

傅朋伟

(国网德阳供电公司，四川 德阳 618000)



基于Matlab/Simulink的级联多电平变频电源仿真研究

傅朋伟

(国网德阳供电公司，四川 德阳 618000)

级联多电平变频电源作为多电平变频电源拓扑结构中的一种，在中、高压大功率传动和测量场合中得到了广泛的应用。在分析级联变频电源工作原理的基础上，利用Matlab/Simulink，构成了SPWM级联多电平变频电源，并进行了仿真分析，仿真结果验证了载波移相SPWM调制方法的可行性及理论分析的正确性。

变频电源；级联；多电平；PI控制

近年来，大功率电力电子技术发展迅速，多电平逆变器在高压、大功率方面得到越来越广泛的应用。多电平变换器分为二极管箝位型(Diode-Clamp)、飞跨电容型(Flying-Capacitor)以及具有独立直流电源的级联逆变器型(CIDCS)。文献[1]详细介绍了它们的原理和特性，其共同优点是：电平数越高，输出电压谐波含量越低；器件开关频率越低，开关损耗越小；器件应力小，无需动态均压。相比其他两种，级联逆变器型还有如下几个优点:①逆变器结构基于传统的两电平逆变器单元，主电路拓扑结构非常简单；②功率单元采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修方便，电路中也不需要存在大量的箝位二极管或电压平衡电容器；③每一个逆变桥是由相互独立的直流电压源供电，不存在中性点电压不平衡问题。

本文主要研究级联型多电平变频电源的SPWM整流器和变频电源控制及Matlab仿真。

1 级联多电平变频电源工作原理

1.1 拓扑结构

级联多电平变频电源由n个具有独立直流源的变流单元(又称功率单元)组合而成[2-3]。将每个变流单元输出侧的端电压通过串联的方式进行叠加，而后便形成了多电平变换器的输出电压。在传统的级联型拓扑结构中，变流单元的电压都是相同的。图1给出了这种具有独立直流源拓扑结构的电路模型[4]。

每个功率单元由两级电能变换模块构成，如图2所示。通过三相SPWM整流桥整流，形成直流电压，再经由H型单相逆变桥，输出PWM波。图2中，ua、ub、uc、ia、ib、ic分别为网侧三相电压和电感电流，L1为等效漏电感与滤波电感之和，C1为并联滤波电容。采用SPWM整流桥，可实现电网侧单位功率因数运行，同时滤除谐波。通过串联将所有功率单元输出电压叠加在一起，得到频率和幅值均可连续调节的输出电压。

图1 级联多电平变频电源电路模型

图2 功率单元电路图

级联多电平变频电源输出电压的电平数为m=2n+1，其中n为功率单元个数。若含有16个功率单元，则输出电压有33电平。

1.2 三相SPWM整流器控制

三相SPWM整流器控制中．电压外环和电流内环的双闭环控制结构最为普遍[5-7]。通过电压外环控制，维持直流电压恒定。通过电流内环的控制，使整流器的输入电流能够跟踪电流给定，实现功率因素调节以及能量的双向流动控制，并实现电流限幅。双闭环控制结构简单，性能优良，因而广泛应用于PWM整流器控制。三相PWM整流器直流电压外环、电网侧电流内环的双闭环控制框图如图3所示。

图3 电压外环电流内环双闭环PWM整流器控制框图

控制器中PI参数的整定[7]在理论上如式(1)所示：

(1)

式中：Ti为电流环的时间常数，Ti=L/R；R为交流侧等效输入电阻；Kpwm为整流器的放大增益，其值约为和PWM载波峰值的比率；Ts为电流内环的采样周期；Tu为电压外环的采样周期。

1.3 载波移相SPWM控制

三角载波移相SPWM控制中,每个模块的SPWM信号都是由1个三角载波和1个正弦波比较产生。每个模块的正弦波都相同,但三角载波与它相邻模块的三角载波之间有1个相移,使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开θ,从而使各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关频率提高到原来的n倍,因此可在不提高开关频率的条件下 ,大大减小输出谐波。

载波移相SPWM控制方法中，有单极性的载波移相和双极性的载波移相SPWM调制方法。对于单极性调制方法，载波移相角θ=2π/N时，输出波形效果最好。对于双极性SPWM调制方法，每个功率单元模块的SPWM脉冲可由1对反相的正弦调制波与1个三角载波比较产生，也可由1个正弦调制波与1对反相(相差180°)的三角载波比较产生，2种方法完全等效[8]。以第1种双极性调制为例，图4为SPWM控制波形图。

对于载波相移SPWM控制，其驱动脉冲中含有基频方波。在闭环控制系统中，误差信号(给定信号与反馈信号之差)经过PI调节器调节后形成调制波[9-10]。但这个调制信号含有大量的高频谐波，尤其是在过零点处畸变较为严重，如果直接检测，会造成检测不准确。因此，按开环的方式生成基频方波，直接检测给定的过零点，生成所需的基频方波，其原理如图5所示。

图4 双极性SPWM控制波形

图5 直接检测过零点的PI控制原理图

这种方法既能使输出交流值跟随给定信号，又能避免过零点高频谐波的影响。PWM脉冲的生成方法和常规PI控制相同。

2 级联多电平变频电源仿真研究

采用上述控制方法,用Matlab/Simulink对16桥逆变输出变频电源进行仿真。为改善输出电压波形，在输出端增加LC低通滤波器，滤波器原理图如图6所示，滤波器参数：L=3.38 mH；C=11 μF。

仿真条件：采用异步调制，载波频率500 Hz，空载。图7(a)和图7(b)分别为设定频率为

图6 变频电源滤波器原理图

(a)频率为100 Hz

(b)频率为25 Hz图7 输出不同频率电压波形图

100 Hz和25 Hz下滤波前和滤波后的电压波形。

由图7可知，输出频率为设定频率值，输出电压幅值在变频过程中，阶梯数恒定，即实现了独立调频，从而验证了模型的正确性。观察滤波后的电压波形可知，经过LC滤波后，系统的输出电压波形比较好，波形的畸变也很小。

图8(a)和图8(b)分别为设定电压为6 kV和1 kV滤波前和滤波后电压波形。

由图8可知，输出电压为设定电压值，输出电压频率在变压过程中保持恒定，即实现了独立调压，从而验证了模型的正确性。由滤波前电压波形可知，变压过程，其实就是电压阶梯波阶梯数目变化。观察滤波后的电压波形可知，经过LC滤波后，系统的输出电压波形在电压降低时，谐波含量比大电压高。

(a)输出电压为6 kV

(b)输出电压为1 kV图8 输出不同幅值电压波形

3 结束语

本文详细分析了级联多电平变频电源中SPWM整流器和变频电源工作原理。采用电压外环和电流内环的双闭环控制，维持直流电压恒定，实现功率因素调节以及能量的双向流动控制。采用双极性与载波移相PWM技术相结合的控制方法对变频电源进行了仿真研究。仿真结果表明:①采用级联多电平逆变技术，相当于提高了载波频率，因此功率单元的开关频率降低，开关损耗减少，同时满足输出电压和功率的要求；②采用载波移相技术，输出电压接近正弦波，谐波含量非常低；③各功率单元采用独立直流电源供电，因此对功率器件电压等级要求较低。

[1] LAI Jisheng,PENG Fangzheng.Multilevel converter a new breed of power converters[J].IEEE Trans on Ind.,1996, 32(3):509-517.

[2] 罗德荣, 王耀南, 葛照强, 等. 级联型高压变频器控制算法的研究及实现[J]. 电工技术学报, 2010, 25(1): 104-110.

[3] Yeh S. A Hybrid Phase-shifted SHE Modulation Strategy for Cascaded multilevel Inverter[J]. 2012.

[4] K. Corzine, Y. Familiant. A new cascade multilevel H-bridge drive. IEEE Transaction on Power Tlectronics, 2002, 17(1): 125-131

[5] 姜卫东, 王永生, 汪 磊, 等. 三种不同外环反馈方式在 PWM 整流器中的比较[J]. 电力电子技术, 2016, 50(1): 11-14.

[6] 程启明, 程尹曼, 薛 阳, 等. 三相电压源型 PWM 整流器控制方法的发展综述[J]. 电力系统保护与控制, 2012，40(3): 145-155.

[7] 张 兴. PWM 整流器及其控制策略的研究 [D].合肥：合肥工业大学, 2003.

[8] 牟 伟,多单元串联多电平逆变电源的控制方法研究[D].成都:西南交通大学，2006.

[9] 谢少军, 陈 万. 电压电流双闭环瞬时值控制级联逆变器研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2004, 36(5): 589-594.

[10]姚自立, 杜世俊. 基于前馈加双环控制的逆变电源设计[J]. 通信电源技术, 2007, 24(6): 57-59.

Research on Simulation of Cascaded Multilevel Inverter Based on Matlab/Simulink

FU Pengwei

(State Grid Deyang Power Supply Company,Deyang,Sichuan 618000，China)

The Cascaded Inverter with Separate DC Source(CISDCS) is one of multilevel topologies.It has been widely applied in high voltage and high power drive and detection fields. After analysing the principle of CISDCS and finishing the simulation of cascaded inverter based on the Phase Shifted SPWM(PS SPWM) by Matlab/Simulink,the simulation results in proving the feasibility and applicability of the PS SPWM modulation strategy.

inverter; cascade; multilevel;PI control

TM921.51

A

1004-7913(2017)06-0018-04

傅朋伟(1988)，男，硕士，助理工程师，主要从事变电检修相关工作。

2017-03-20)