級聯逆變器的SPWM仿真研究

2017-08-12 00:10:07劉明

巢湖學院學報 2017年3期

劉明

（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽淮南 232007）

級聯逆變器的SPWM仿真研究

劉明

（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽淮南 232007）

級聯型逆變器是一種多電平逆變器，理論上采用級聯型逆變器調制方式中的SPWM調制方式，可消除與抑制諧波，使輸出電壓波形為正弦波，且能實現對頻率和電壓的協同控制。本研究利用Matlab中的Simulink組件，建立級聯型逆變器模型，并使用SPWM方式進行仿真實驗，仿真結果與理論結果基本一致，驗證了該方法的可行性。

級聯型逆變器；多電平逆變器；SPWM；仿真

1 引言

隨著計算機技術、控制技術、微電子技術的不斷發(fā)展，多電平逆變器解決了傳統兩電平逆電器中電壓隨時間變化率大、電磁干擾大，開關頻率高，逆變效率低，不適用于高壓應用的缺點。而級聯型逆變器可以通過將一些小的功率單元連在一起，做成功率比較大的逆變器。通過級聯，逆變器可應用于大功率電源中，在高壓電機驅動、大功率有源電力濾波等方面具有重要的意義[1-2]。目前廣泛應用于多電平逆變電路的PWM方法可分為載波調制PWM法（Carrier-based PWM）和空間矢量PWM法（Space Vector PWM）兩大類，級聯型多電平逆變器通常采用基于載波調制的PWM控制技術[3]。本研究采用MATLAB中的Simulink組件對SPWM調制法進行仿真研究。SPWM的優(yōu)點是可以將諧波的影響降低到最小，且能協同控制頻率與電壓。若逆變器輸出端產生的電壓為方波，表明該電壓波形中不僅包含正弦基波，而且包含多次諧波甚至高次諧波，利用SPWM控制技術，可改善輸出端的波形，從而減弱了多次諧波對波形的影響，得到近似理想的交變電壓。

2 級聯型逆變器的拓撲結構

級聯型逆變電路結構的特點為：三相電路A、B、C具有相同結構，每相電路都是由供電的H橋功率單元級聯構成，各電平數與級聯功率單元電壓等級相對靈活，會出現不同[4]。考慮到電平數和級聯單元的電壓等級，級聯型逆變電路可分為相同電平數H橋級聯和不同電平數H橋級聯，如圖1所示。

圖1 級聯型逆變電路分類圖

2.1 相同電平數H橋級聯

相同電平數H橋級聯逆變電路包含三電平H橋級聯和五電平H橋級聯兩種。三電平H橋結構，如圖2所示，可發(fā)出-1、0、1三類不同的電平。采取不同電壓等級的功率單元級聯，目的是為了在單元數相同時，可輸出較多的電平數。產生的電平數多，電壓波形所含諧波就少，輸出波形就越接近正弦，等效結果越理想[5]。兩單元級聯的五電平電路，如圖3所示。多電平逆變器較傳統兩電平逆變器有很多優(yōu)勢，它的控制方法更加靈活，對于輸出端電壓有很強的調控能力，輸出端電壓波形更接近正弦波，很少有諧波，且逆變工作效率高，不僅能夠適用成本低的低頻高壓大功率開關器件，還可適用在高壓大功率輸出等。

圖2 三電平H橋結構

圖3 兩單元級聯的五電平電路

2.2 不同電平數H橋級聯

如混合七電平單元是電壓比為1：2的兩個單元級聯輸出端的電壓為七電平，其電路如圖4所示。在電平分配中，IGCT單元是不用PWM調制的，僅工作在參考波頻率，IGBT單元工作于載波頻率用于將電壓進行PWM調制[6]。

圖4 電壓1：2的兩單元級聯混合七電平電路

使用多電平逆變器可以令低耐壓開關器件輸出有效的高壓。為了達到這個目的，當前有兩個解決辦法：第一種利用電力電子開關器件相互串聯形成的半橋式逆變結構，又叫做鉗位式多電平逆變器；第二種利用功率單元相互串聯疊加形成級聯型逆變電路，又叫做級聯式多電平逆變器。

3 級聯逆變器SPWM調制仿真

3.1 SPWM調制

SPWM調制是用正弦波發(fā)生器和脈寬調制器共同生成，正弦波輸入脈寬調制器，與脈寬調制器內部的鋸齒波比較即可實現SPWM調制。諧波是指電壓或電流在標準正弦波上產生的畸變。以電壓波形為例，一般意義的PWM技術是不會減小諧波的，而SPWM技術表面雖然也是一組電壓方波，但它的脈沖寬度是隨正弦規(guī)律變化的，所以它在負載上產生的電流確是由許多小的三角波擬合成的正弦波形，但該正弦波形與理想的正弦波畸變很小，因此，基于SPWM技術的開關電源諧波較小。

3.2 級聯逆變器SPWM調制的仿真

采用MATLAB中的Simulink組件對SPWM調制法進行了仿真研究，其中Simulink是Matlab軟件下的一個附加組件，是一個用來對動態(tài)系統進行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包[7]。利用Simulink仿真和分析采用的步驟為：

（1）建立仿真電路的模型圖，仿真電路圖如5所示，其中從模塊庫里選擇SUBSYSTEM8；

（2）將仿真參數輸入仿真系統，觀察動態(tài)仿真結果；仿真逆變器參數為：輸入4路隔離的100V直流電源，頻率為20kHz的三角載波，頻率為50Hz的調制波，仿真的算法為ode15。

（3）記錄輸出結果，并與理論值進行分析與比較。

圖5 SPWM調制SUBSYSTEM8的仿真電路

3.3 仿真結果分析

仿真實驗結果，如圖6、7、8所示。根據仿真可知，輸出是交流電壓，峰值為310V，其有效值是219V/50Hz，電壓波形與正弦波非常近似，電壓波形輸出不超過20次諧波的總含量（THD）在0.12%左右，400次以內的總諧波含量在9.34%左右。20kHz為三角載波的頻率，逆變器開關頻率也為20 kHz，顯然最低諧波群中心頻率400次。輸出電壓頻譜圖，如圖8所示，表明輸出電壓的諧波集中在400次左右，由此可見仿真和理論分析基本一致。