劉 明

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232007）

級聯(lián)逆變器的SPWM仿真研究

劉 明

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232007）

級聯(lián)型逆變器是一種多電平逆變器，理論上采用級聯(lián)型逆變器調(diào)制方式中的SPWM調(diào)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(xiàn)對頻率和電壓的協(xié)同控制。本研究利用Matlab中的Simulink組件，建立級聯(lián)型逆變器模型，并使用SPWM方式進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，驗證了該方法的可行性。

級聯(lián)型逆變器；多電平逆變器；SPWM；仿真

1 引言

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多電平逆變器解決了傳統(tǒng)兩電平逆電器中電壓隨時間變化率大、電磁干擾大，開關(guān)頻率高，逆變效率低，不適用于高壓應(yīng)用的缺點。而級聯(lián)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(lián)，逆變器可應(yīng)用于大功率電源中，在高壓電機驅(qū)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(yīng)用于多電平逆變電路的PWM方法可分為載波調(diào)制PWM法（Carrier-based PWM）和空間矢量PWM法（Space Vector PWM）兩大類，級聯(lián)型多電平逆變器通常采用基于載波調(diào)制的PWM控制技術(shù)[3]。本研究采用MATLAB中的Simulink組件對SPWM調(diào)制法進(jìn)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(xié)同控制頻率與電壓。若逆變器輸出端產(chǎn)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(shù)，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(lián)型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

級聯(lián)型逆變電路結(jié)構(gòu)的特點為：三相電路A、B、C具有相同結(jié)構(gòu)，每相電路都是由供電的H橋功率單元級聯(lián)構(gòu)成，各電平數(shù)與級聯(lián)功率單元電壓等級相對靈活，會出現(xiàn)不同[4]?？紤]到電平數(shù)和級聯(lián)單元的電壓等級，級聯(lián)型逆變電路可分為相同電平數(shù)H橋級聯(lián)和不同電平數(shù)H橋級聯(lián)，如圖1所示。

圖1 級聯(lián)型逆變電路分類圖

2.1 相同電平數(shù)H橋級聯(lián)

相同電平數(shù)H橋級聯(lián)逆變電路包含三電平H橋級聯(lián)和五電平H橋級聯(lián)兩種。三電平H橋結(jié)構(gòu)，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(lián)，目的是為了在單元數(shù)相同時，可輸出較多的電平數(shù)。產(chǎn)生的電平數(shù)多，電壓波形所含諧波就少，輸出波形就越接近正弦，等效結(jié)果越理想[5]。兩單元級聯(lián)的五電平電路，如圖3所示。多電平逆變器較傳統(tǒng)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(diào)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(guān)器件，還可適用在高壓大功率輸出等。

圖2 三電平H橋結(jié)構(gòu)

圖3 兩單元級聯(lián)的五電平電路

2.2 不同電平數(shù)H橋級聯(lián)

如混合七電平單元是電壓比為1：2的兩個單元級聯(lián)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(diào)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(jìn)行PWM調(diào)制[6]。

圖4 電壓1：2的兩單元級聯(lián)混合七電平電路

使用多電平逆變器可以令低耐壓開關(guān)器件輸出有效的高壓。為了達(dá)到這個目的，當(dāng)前有兩個解決辦法：第一種利用電力電子開關(guān)器件相互串聯(lián)形成的半橋式逆變結(jié)構(gòu)，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(lián)疊加形成級聯(lián)型逆變電路，又叫做級聯(lián)式多電平逆變器。

3 級聯(lián)逆變器SPWM調(diào)制仿真

3.1 SPWM調(diào)制

SPWM調(diào)制是用正弦波發(fā)生器和脈寬調(diào)制器共同生成，正弦波輸入脈寬調(diào)制器，與脈寬調(diào)制器內(nèi)部的鋸齒波比較即可實現(xiàn)SPWM調(diào)制。諧波是指電壓或電流在標(biāo)準(zhǔn)正弦波上產(chǎn)生的畸變。以電壓波形為例，一般意義的PWM技術(shù)是不會減小諧波的，而SPWM技術(shù)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(fù)載上產(chǎn)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(shù)的開關(guān)電源諧波較小。

3.2 級聯(lián)逆變器SPWM調(diào)制的仿真

采用MATLAB中的Simulink組件對SPWM調(diào)制法進(jìn)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(tǒng)進(jìn)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(shù)輸入仿真系統(tǒng)，觀察動態(tài)仿真結(jié)果；仿真逆變器參數(shù)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(diào)制波，仿真的算法為ode15。

（3）記錄輸出結(jié)果，并與理論值進(jìn)行分析與比較。

圖5 SPWM調(diào)制SUBSYSTEM8的仿真電路

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真實驗結(jié)果，如圖6、7、8所示。根據(jù)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(nèi)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(guān)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。

圖6 輸出的電壓波形

圖7 最大頻率為1000Hz時頻譜圖

圖8 最大頻率為20000Hz時頻譜圖

4 結(jié)論

通過MATLAB中的Simulink工具箱對級聯(lián)逆變器進(jìn)行建模，并利用SPWM調(diào)制法進(jìn)行了仿真研究和分析，從仿真結(jié)果可見，仿真輸出的電壓波形與正弦波非常近似，通過對諧波含量進(jìn)行分析，不僅驗證了該調(diào)制方式的可操作性，還發(fā)現(xiàn)SPWM調(diào)制方式降低諧波含量的效果較好。

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責(zé)任編輯：陳小舉

TM464

A

：1672-2868（2017）03-0108-04

2017-04-23

國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：60973050）；安徽省教育廳高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2015-2018年）項目（項目編號：（XM-（2）348））

劉明（1981-），女，安徽淮南人。安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系，講師。研究方向：電力電子與電力傳動。