级联逆变器的SPWM仿真研究

2017-08-12刘明

巢湖学院学报 2017年3期

关键词：正弦波级联电平

刘明

（安徽工贸职业技术学院，安徽淮南 232007）

级联逆变器的SPWM仿真研究

刘明

（安徽工贸职业技术学院，安徽淮南 232007）

级联型逆变器是一种多电平逆变器，理论上采用级联型逆变器调制方式中的SPWM调制方式，可消除与抑制谐波，使输出电压波形为正弦波，且能实现对频率和电压的协同控制。本研究利用Matlab中的Simulink组件，建立级联型逆变器模型，并使用SPWM方式进行仿真实验，仿真结果与理论结果基本一致，验证了该方法的可行性。

级联型逆变器；多电平逆变器；SPWM；仿真

1 引言

随着计算机技术、控制技术、微电子技术的不断发展，多电平逆变器解决了传统两电平逆电器中电压随时间变化率大、电磁干扰大，开关频率高，逆变效率低，不适用于高压应用的缺点。而级联型逆变器可以通过将一些小的功率单元连在一起，做成功率比较大的逆变器。通过级联，逆变器可应用于大功率电源中，在高压电机驱动、大功率有源电力滤波等方面具有重要的意义[1-2]。目前广泛应用于多电平逆变电路的PWM方法可分为载波调制PWM法（Carrier-based PWM）和空间矢量PWM法（Space Vector PWM）两大类，级联型多电平逆变器通常采用基于载波调制的PWM控制技术[3]。本研究采用MATLAB中的Simulink组件对SPWM调制法进行仿真研究。SPWM的优点是可以将谐波的影响降低到最小，且能协同控制频率与电压。若逆变器输出端产生的电压为方波，表明该电压波形中不仅包含正弦基波，而且包含多次谐波甚至高次谐波，利用SPWM控制技术，可改善输出端的波形，从而减弱了多次谐波对波形的影响，得到近似理想的交变电压。

2 级联型逆变器的拓扑结构

级联型逆变电路结构的特点为：三相电路A、B、C具有相同结构，每相电路都是由供电的H桥功率单元级联构成，各电平数与级联功率单元电压等级相对灵活，会出现不同[4]。考虑到电平数和级联单元的电压等级，级联型逆变电路可分为相同电平数H桥级联和不同电平数H桥级联，如图1所示。

图1 级联型逆变电路分类图

2.1 相同电平数H桥级联

相同电平数H桥级联逆变电路包含三电平H桥级联和五电平H桥级联两种。三电平H桥结构，如图2所示，可发出-1、0、1三类不同的电平。采取不同电压等级的功率单元级联，目的是为了在单元数相同时，可输出较多的电平数。产生的电平数多，电压波形所含谐波就少，输出波形就越接近正弦，等效结果越理想[5]。两单元级联的五电平电路，如图3所示。多电平逆变器较传统两电平逆变器有很多优势，它的控制方法更加灵活，对于输出端电压有很强的调控能力，输出端电压波形更接近正弦波，很少有谐波，且逆变工作效率高，不仅能够适用成本低的低频高压大功率开关器件，还可适用在高压大功率输出等。

图2 三电平H桥结构

图3 两单元级联的五电平电路

2.2 不同电平数H桥级联

如混合七电平单元是电压比为1：2的两个单元级联输出端的电压为七电平，其电路如图4所示。在电平分配中，IGCT单元是不用PWM调制的，仅工作在参考波频率，IGBT单元工作于载波频率用于将电压进行PWM调制[6]。

图4 电压1：2的两单元级联混合七电平电路

使用多电平逆变器可以令低耐压开关器件输出有效的高压。为了达到这个目的，当前有两个解决办法：第一种利用电力电子开关器件相互串联形成的半桥式逆变结构，又叫做钳位式多电平逆变器；第二种利用功率单元相互串联叠加形成级联型逆变电路，又叫做级联式多电平逆变器。

3 级联逆变器SPWM调制仿真

3.1 SPWM调制

SPWM调制是用正弦波发生器和脉宽调制器共同生成，正弦波输入脉宽调制器，与脉宽调制器内部的锯齿波比较即可实现SPWM调制。谐波是指电压或电流在标准正弦波上产生的畸变。以电压波形为例，一般意义的PWM技术是不会减小谐波的，而SPWM技术表面虽然也是一组电压方波，但它的脉冲宽度是随正弦规律变化的，所以它在负载上产生的电流确是由许多小的三角波拟合成的正弦波形，但该正弦波形与理想的正弦波畸变很小，因此，基于SPWM技术的开关电源谐波较小。

3.2 级联逆变器SPWM调制的仿真

采用MATLAB中的Simulink组件对SPWM调制法进行了仿真研究，其中Simulink是Matlab软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包[7]。利用Simulink仿真和分析采用的步骤为：

（1）建立仿真电路的模型图，仿真电路图如5所示，其中从模块库里选择SUBSYSTEM8；

（2）将仿真参数输入仿真系统，观察动态仿真结果；仿真逆变器参数为：输入4路隔离的100V直流电源，频率为20kHz的三角载波，频率为50Hz的调制波，仿真的算法为ode15。

（3）记录输出结果，并与理论值进行分析与比较。

图5 SPWM调制SUBSYSTEM8的仿真电路

3.3 仿真结果分析

仿真实验结果，如图6、7、8所示。根据仿真可知，输出是交流电压，峰值为310V，其有效值是219V/50Hz，电压波形与正弦波非常近似，电压波形输出不超过20次谐波的总含量（THD）在0.12%左右，400次以内的总谐波含量在9.34%左右。20kHz为三角载波的频率，逆变器开关频率也为20 kHz，显然最低谐波群中心频率400次。输出电压频谱图，如图8所示，表明输出电压的谐波集中在400次左右，由此可见仿真和理论分析基本一致。