电力电子系统仿真报告
题目三电平H桥级联型逆变器
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2016年3月10日
三电平H桥级联型逆变器
一、摘要
级联型多电平变频器输出电压谐波含量小，易于实现模块化，适用于高压大功率场合。本文主要针对三电平H桥级联型逆变器的拓扑结构和控制方式的相关问题进行分析与研究。级联个数不同，对控制方法也有不同的要求。提出了基于载波层叠调制和载波移相调制的混合载波调制方法，三电平桥臂内采用反相层叠载波调制，级联单元间及桥臂间均采用载波移相调制。本文根据级联个数的奇偶性，在级联单元间分别采用不同的载波移相控制方法，并通过PSIM软件仿真验证了这种采取不同控制方法的正确性，同时也对输出电压的谐波进行了分析。
二、选择PSIM仿真软件
PSIM是趋向于电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用软件。PSIM是由SIMCAD 和SIMVIEM两个软件来组成的。它具有仿真高速、用户界面友好、波形解析等功能，为电力电子电路的解析、控制系统设计、电机驱动研究等有效提供强有力的仿真环境。PSIM还提供了一个强有力的对功率电子学、模拟及数字控制、磁以及电机驱动系统进行研究的仿真环境，需要用户确定的参数极少，仿真速度快，界面友好。与基于SPICE的仿真软件不同，PSIM并不是为一般的电子电路仿真而设计的，而是针对性很强的一种仿真软件。与SPICE相比，它具有更快的仿真速度和更强的收敛性。PSIM几乎不会出现仿真不收敛的情况。
根据其用户界面直观、易于使用，用PSIM直观、简单的操作界面可迅速搭建电路图，PSIM相比其它仿真软件的最重要的特点是仿真速度快，可仿真任意大小的电力变换电路和控制回路等这些特点。根据本文的要求以及仿真软件的特点，要想达到预期的仿真效果，我就选择用PSIM进行仿真来实现其仿真结果。
三、选择所需的仿真步长
我们知道仿真时的时间概念与真实的时间并不一样，它只是计算机在仿真中对时间的一种表示，比如10秒的仿真时间，如果采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际的执行时间就会增加。一般仿真开始时间设为0，而结束时间视不同的因素而选择。总的说来，执行一次仿真要耗费的时间依赖于很多因素，包括模型的复杂程度、解法器及其步长的选择、计算机时钟的速度等等。
在选择步长时我们主要考虑其仿真的速度和仿真的精度。若步长选择的很大则采样点数会减小，所以完成仿真的速度会很快，而仿真结果的精度就会降低。相反若选择的步长较小则采样点数增加，所以仿真速度就会降低而仿真结果的精
度就会提高。综合建立模拟的复杂程度以及所需要的仿真结果，并且兼顾仿真的速度和精度，在传统全桥逆变电路与单元H桥逆变电路我选择的步长为1E-006，在后面比较复杂的仿真电路模型中考虑其仿真时间我选择的步长为5u。
四、三电平的控制及PWM控制
1、三电平的控制
图1为三电平逆变器功率单元的拓扑结构。
图1 三电平逆变器功率单元的拓扑结构
由图1可知，每相桥臂都需要4个主开关器件、4个续流二极管、2个箝位二极管。
以a相为例，如图2所示，开关管Sa1、Sa2同时导通时，Sa3、Sa4同时关断。若电流从逆变电路流向负载，即从p点经过Sa1、Sa2到达输出端a，忽略开关器件的正向导通压降，输出端a的电位等同于p的电位，即E/2；若电流从负载流向逆变电路，这时电流从a分别经过Sa1、Sa2所对应的续流二极管Da1、Da2，流进p点，这时输出端a的电位仍然等同于p的电位。
图2 三电平逆变器拓扑a相电路
开关管Sa2、Sa3同时导通时，Sa1、Sa4同时关断。开关管Sa3、Sa4同时导通时，Sa1、Sa2同时关断。主开关器件的开关状态与输出电平的对应关系如下表1所示：
由表1可知：主开关器件Sa1、Sa4不能同时导通，且Sa1和Sa3、Sa1和Sa4的工作状态恰好相反，即工作在互补状态。平均每个主开关管所承受的正向阻断电压为E/2。
2、实现三电平逆变器仿真的PWM控制
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。根据冲量等效原理，可以用相同数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替正弦波，矩形脉冲和相应的正弦部分面积相等，即得到图3（b）所示的PWM波形。目前，PWM控制方法主要分为3类：载波调制法、空间矢量调制法和特定谐波削去法。载波调制法分为载波移相法、载波层叠法、开关频率优化PWM法。本文所用的是载波调制法的载波移相法。
图3 正弦波与PWM波等效原理
本文三电平H桥级联型逆变器采用的是载波脉宽调制(SPWM)技术。以单相
三电平单元为例，左桥臂的三角载波初相位为α，右桥臂的三角载波的初相位为 α+180°，即左、右桥臂的载波的初相位相差 180°。同时，左桥臂采用正弦波sin s s s u U t ω+=作为调制波，右桥臂则采用sin s s s u U t ω-=作为调制波，亦即左、右桥臂的正弦调制波相位刚好相反。
五、单相传统的全桥逆变电路和单相三电平逆变电路（5种情况）以及三相三电平逆变电路（2种情况）的输出波形和仿真技巧
1、传统的全桥逆变电路
在PSIM 中搭建传统的全桥逆变仿真模型，直流电源E=1000V ，负载采用阻感负载。仿真得到的输出电压波形如图4（a ）所示，从输出电压的FFT 分析如下图（b ）可得出其谐波为k 次谐波（k 取1、3、5…），谐波很大，但逐渐减小。
（a ）输出电压
(b) FFT 分析
图4 传统的全桥逆变输出
2、3H 桥级联逆变电路
1）奇数个3H 桥级联
在PSIM 中搭建的单个3H 桥逆变器的仿真模型，直流电源E=1000V ，调制波频率f m =50Hz ，三角载波频率f c =510Hz 。考虑到当调制比m 取值比较小时可
能出现电平缺失，为了避免这种情况调制比所取m=0.9。负载采用阻感负载。
如果在单相电路中有N个3H桥的串联级联，各个3H桥都采用相同的直流电源电压。它们的反相层叠三角载波初相位应依次超前2π/N，第一个3H 桥的三角载波初相位为0°，第二个3H桥的三角载波初相位为2π/N，第三个3H桥的三角载波初相位为2×2π/N，?，第N个3H桥的三角载波初相位为(N-1)×2π/N。对于调制波，每个3H桥都用相同的正弦波电压+u s、-u s作为调制波，这样在每相电路中每个3H桥得到的输出电压应具有相同的基波电压。
单个H 桥输出电压为五电平。由于单元本身采用了倍频调制技术，所以单元输出等效载波频率变为原载波频率的2倍。从输出电压的傅里叶分析，可以看出谐波主要分布在2k(k为自然数)倍载波频率附近。相对于传统的全桥逆变输出波形更接近正弦波，且谐波减少很多。
（a）输出电压
(b) FFT分析
图5 单元H 桥5电平输出
将三个功率单元组成三相逆变电路进行仿真，调制比仍取m=0.9，得到的线电压为九电平，如下图6所示。其谐波分析与上图5的相电压的相比，三的倍数次谐波都被抵消了。
（a）输出电压
(b) FFT分析
图6 三相H桥级联9电平逆变输出
当三个3H桥串联组成单相逆变器，N=3，则第二个3H桥的三角载波超前第一个120°，第三个3H桥的三角载波超前第二个120°，而调制波都使用+u s、-u s。仿真得到的串联输出总电压如下图7（a）所示，输出电压从+3000～-3000V，每500V为一个台阶，总共有4N+l=13个电平，其波形更接近正弦波。从其傅里叶分析波形如图7（b）可以看出，谐波主要分布在6k(k为自然数)倍载波频率附近，存在的谐波幅值很小。
（a）输出电压
(b) FFT分析
图7 三个H桥级联13电平输出
对于五个3H桥级联组成的逆变器，由于N=5，所以第二个3H桥的三角载波超前第一个72°，第三个3H桥的三角载波超前第二个72°，第四个3H 桥的三角载波超前第三个72°，第五个3H桥的三角载波超前第四个72°，而调制波依然都使用+u s、-u s。仿真得到的五个3H桥串联输出总电压如下图（a）所示。对其进行傅里叶分析如下图（b）所示，可以看出，谐波主要分布在10k(k 为自然数)倍载波频率附近，谐波幅值较之三个单元串联时更小。
（a）级联输出总电压
(b) FFT分析
图8 五个H桥级联21电平输出