基于H橋級聯型五電平逆變器的Matlab仿真分析

柴愛平

（武威職業學院 電子信息工程系，甘肅 武威733000）

0 引言

多電平逆變器是以電力系統中直流輸電、無功功率補償、電力有源濾波器等應用發展的需要，高壓大功率交流電動機變頻調速系統大量應用的需求，以及20 世紀70 年代以來兩次世界性的能源危機和當前嚴重的環境污染所引起的世界各國對節能技術與環保技術的廣泛關注為背景的[1]。

H 級聯型逆變器是一種由相同模塊組成的多電平逆變器，當某模塊出現問題時，可將其忽略，其余模塊可繼續維持逆變器的正常工作，大大提高了系統的可靠性；按載波移相SPWM 控制技術進行PWM 控制，各單元輸出波形疊加即可得多電平輸出，控制法比箝位型電路對各橋臂的簡單，也易于擴展。同時，對不同調制比情況下的電壓進行了諧波分析。

1 主電路拓撲結構

級聯型多電平逆變器是采用功率單元串聯疊加的級聯式逆變結構，級聯式多電平逆變器的主開關器件的耐壓，被限定在向它所在基本功率單元供電的獨立直流電源電壓上，多個由獨立直流電源供電的基本功率單元的交流輸出側串聯疊加，就可以得到高壓多電平電壓輸出。由于各個基本功率單元的直流電源電壓是相互獨立的，它們之間沒有直接的電聯系，因此不存在均壓問題，對于m 電平的逆變器，所需的單相全橋逆變器(2H)個數和獨立電源個數為(m-1)/2，輸出相電壓的電平數為m，輸出線電壓的電平數為2m-1，本文取m=5，拓撲結構如圖1 所示。

2 載波移相SPWM 控制技術

級聯式多電平逆變器的控制方法特別是H 橋級聯式多電平逆變器的控制方法，大多采用三角載波移相(PS)PWM 控制法。這種控制方法有以下優點：

①在任何的調制比M 下(任何基波頻率下)，輸出電壓保持相同的開關頻率。而其他的三角載波PWM 控制方式在調制比M 降低時，會出現部分H 橋單元沒有PWM 電壓輸出，造成輸出電壓開關頻率的下降，使得輸出電壓的諧波含量增加。

②H 橋單元之間不存在輸出功率不平衡的問題。因為在三角載波移相PWM 控制方式下，各級之間的輸出電壓的PWM 波形基本一致。而其他控制方式則會出現不一致，使得不同級層的H 橋單元的功率不同。

③與主電路的模塊化結構相一致，三角載波移相PWM 方式中針對各個H 橋單元的載波和調制波也呈現模塊化結構。

④對于同樣的三角載波頻率，三角載波移相(Ps)方式的輸出電壓頻率是載波頻率的N 倍(N 為串聯H 橋單元個數，三角載波互差180°/N)[2]。

本文所研究的逆變器由兩個全橋模塊級聯而成。對于兩模塊級聯型H 橋拓撲，需要4 列互差90°的載波來實現(PS)PWM 調制方法，載波與正弦調制信號比較得到的8 路脈沖信號來驅動8 個IGBT，得到五電平輸出。

本文級聯型逆變器的具體調制方法如下：

（1）初始相位為0°的三角載波U1 與調制波sin 比較得到脈沖信號G1 驅動左半橋上開天管V1，與G1 互補的脈沖信號GN1 驅動左半橋下開關V2；

（2）初始相位為90°的三角載波U2 與調制波sin 比較得到脈沖信號G2 驅動右半橋下開天管V4，與G1 互補的脈沖信號GN2 驅動右半橋上開關V3；

（3）初始相位為180°的三角載波U3 與調制波sin 比較得到脈沖信號G3 驅動左半橋上開天管V5，與G1 互補的脈沖信號GN3 驅動左半橋下開關V6；

（4）初始相位為270°的三角載波U4 與調制波sin 比較得到脈沖信號G4 驅動右半橋上開天管V8，與G1 互補的脈沖信號GN4 驅動右半橋下開關V7。

綜上所述，U1～U4，4 列載波分別和一列正弦波調制波相交后按時序給V1、V5 和V4、V8，其互補信號分別給V2、V6 和V3、V7。具體的信號分配情況如圖2、表1 所示。

?

3 諧波分析

由于電力電子器件在電網中的運用，諧波問題是不容忽視的[3]。理想的正弦波電壓可表示為：

當理想的正弦波施加在非線性電路上時，對于周期為T 的電壓可分解為傅里葉級數：

諧波次數為諧波頻率和基波頻率之比，為了方便分析，n 次諧波含有率表示為：

電流諧波總畸變率表示為：

4 Matlab 仿真分析

4.1 仿真模型

為了分析五電平逆變器控制特性并進行諧波分析，利用Matlab/Simulink 軟件對單相五電平方法進行了建模。圖3 為單相五電平逆變器的Simulink 模型圖。仿真模型包括PWM 模塊、H 橋模塊、直流側電源、RL 負載。其中PWM 模塊的具體結構圖如圖4 所示，兩單元對應三角載波相位上相差90°相角，公用一個正弦波發生器。

4.2 仿真結果及分析

仿真條件：直流母線電壓100V，RL 負載R=10Ω，L=30mH，四個載波頻率為1kHz,正弦調制波頻率為50Hz。調制比可調分別取調制比為M=0.2、M=0.4、M=0.6、M=0.8、M=1 時，得到如圖5-圖14 的仿真結果。

從圖5-圖9 的仿真波形可知：調制比為1、0.8 和0.6 時，輸出電壓的基波幅值超過最大基波幅值的一半，因此輸出電壓為五電平，包含+200V、+100V、0V、100V、200V。調制比為0.4 和0.2 時，輸出電壓的基波幅值小于等于最大基波幅值的一半，因此輸出電壓為三電平電壓。說明輸出電壓以及輸出電流與調制比有關，調制比越大，輸出電壓電平數越多。

從仿真波形可以看出高次諧波在2Nkf(k=1,2,3…；N=2)附近分布，表2 給出了不同調制比下的總諧波THD 值。隨著調制比的增大，電壓電平數增多的情況下，總諧波THD 值逐漸降低。

?

5 結束語

本文分析了H 橋級聯型五電平逆變器原理及優勢，對基于載波移相調制下的單相五電平級聯型逆變器建模仿真，通過分析不同調制比下的仿真結果得到隨著調制比的增加，電壓電平數逐漸增加，諧波含量明顯降低，為分析多電平逆變器的諧波問題提供了基礎。

［1］劉鳳君.環保節能型H 橋及SPWM 直流電源式逆變器[M].北京：電子工業出版社,2010.

［2］劉鳳君.多電平逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,2007.

［3］劉敬珺.H 橋級聯型多電平逆變器的研究[D].上海交通大學,2010.

［4］侯世英,萬江,時文飛.以單相五電平逆變器為例分析比較多載波PWM 方法[J].電源技術與應,2007(6)：131-134.

［5］盧忠義.基于2H 橋級聯的多電平逆變器的仿真研究[J].科園月刊,2010(15)：63-64.