三电平H桥级联型逆变器仿真复现

三电平H桥级联型逆变器仿真复现

综 合 设 计 报 告

指导老师：学 生：学 号：***** ***** 1108******

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 2 页 共 13 页

1.级联式逆变器介绍：

包括2H桥级联和3H 桥级联，把两个两电平半桥逆变器组成的逆变桥作为功率单元进行级联，叫做2H 桥级联；把两个三电平半桥逆变器组成的逆变桥作为功率单元进行级联，叫做3H 桥级联。2H 桥级联式虽具有控制方法简单、易扩展等优点，但需要的独立直流电源个数多。而采用3H 桥级联可以克服钳位二极管或钳位电容多、控制困难和需要独立电源个数多的缺点，是一种很有前途的使用方法。这种级联式3H 桥多电平逆变器适用于中、高压大功率应用场合。 2．仿真软件的选择：

由于此仿真主要是对一种控制方法进行验证的，众所周知，matlab在控制方面具有优势，因此可以运用matlab软件仿真。但是考虑到此控制方法并不是特别复杂且比较简单，因此也可以用PSIM完成。

3．仿真研究的问题：

本仿真主要针对三电平H桥级联式逆变器的拓扑结构和控制方式进行复现。级联个数的不同，对控制方法也有不同的要求，通过PSIM软件仿真，验证论文中不同级联个数的不同控制方法的正确性和可行性。

4．仿真结果方面：

对三电平H桥功率单元验证控制策略是否正确，逆变输出的电压波形和对谐波的分析是否和论文一致；

对奇数个三电平H桥级联验证其三角波载波的初相是否为

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 3 页 共 13 页

（N1）*2/N,输出的逆变电压为Uout4N1、谐波频次主要分布在6K

（k为自然数）

对偶数个三电平H级联方式验证其功率单元间三角波载波移相是否为/N，输出谐波频次主要分布2K（k为自然数）。 5采用PSIM软件对各个控制方法进行仿真复现 5.1三电平H桥功率单元仿真复现 主电路

图1 功率单元拓扑主电路

控制部分电路图

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 4 页 共 13 页

图2 控制部分电路图

在控制电路中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、右桥臂的三相载波的初相位相差180°。同时，左桥臂采用正弦波usUssinwst作为调制波，右桥臂则采用

usUssinwst作为调制波，亦即左、右桥臂的正弦调制波相位刚好

相反。其中Sa1和Sa3互补，Sa2和Sa4互补。 在PSIM中运行主电路图，得到输出电压波形

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 5 页 共 13 页

图2 输出电压Uab

5.1.1仿真中遇到的问题：

①在控制电路中的usUssinwst信号有两种解决方案 I 改变正弦波的初相为1800

II 在正弦波信号后增加比例环节，设其增益为-1

②单层层叠的三角波载波没有正确给定

正确的单层层叠三角波载波

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 6 页 共 13 页

错误的三角波载波

以上的两个问题已经在仿真的过程中给予解决，方法如下：正相的三角波载波DC Offset为0，V_peak_to_peak为1，初始相位为00；第二个三角波载波DC Offset为0，V_peak_to_peak为-1，初始相位为1800。

5.2偶数个三H桥级联 主电路

图3 2个3H桥级联

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 7 页 共 13 页

控制电路

两个3H桥级联时，功率单元之间的控制上稍有改变，让第二个3H桥的三角波载波之后第一个900的控制方法，对于偶数个3H桥级联时，功率单元间载波移相应该为/N。

图4 偶数级联的控制电路图

在PSIM中运行主电路图，得到输出电压波形Uout为9电平，Umax=2000v,Umin=-2000v,每隔500v输出电压为一个台阶。

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 8 页 共 13 页 图5 输出电压Uout波形

5.3 奇数个3H桥级联： 主电路

图6 3个3H桥级联

控制电路

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+us、−us。

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 9 页 共 13 页

图7奇数级联的控制电路图

在PSIM中运行主电路图，得到输出电压波形Uout为13电平，输出电压从3000～−3000V，每500V 一个台阶，总共有4N+1=13个电平，每隔500v输出电压为一个台阶。仿真得到的串联输出总电压如图8 所示。

5.3.1仿真中遇到的问题：

①每个3H桥功率单元的正弦波调制波不用互相错开1200，即第二个功率单元的调制波不用超前或滞后第一个1200，第三个功率单元的调制波不用超前或滞后第二个1200。也就是说三个功率单元的正弦波调制波是同幅值、同频率、同初相的。

②关于正弦调制波的幅值：如果正弦调制波的幅值和偶数级联时一样为0.8时，则输出波形Uout为11电平，Umax=2500v,Umin=-2500v,每隔500v输出电压为一个台阶。如下图9所示：

⑴当把正弦调制波的幅值改为1或0.9时，让其和三角波载波的幅值相同时，则输出电压Uout为标准的13电平，且谐波含量比较小，如下图10所示：

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 10 页 共 13 页

⑵当把正弦调制波幅值改为1.5或2时，其输出电压也为标准的13电平，可是此时的谐波含量明显增大，如图11所示：

图8输出电压Uout波形

图9 正弦调制波幅值为0.8时输出电压

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 11 页 共 13 页

图10 正弦调制波幅值为1时输出电压谐波

正弦调制波幅值为1.5时输出电压谐波

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 12 页 共 13 页

图11 正弦调制波幅值为2时输出电压谐波

由图9、图10、图11比较可以得出，正弦调制波幅值为0.8时输出电压是错误的，当正弦调制波幅值为1时，输出电压谐波幅值为3000v且频次比较小；当正弦调制波幅值为1.5时，输出电压谐波幅值为3500v左右且谐波含量大；当正弦调制波幅值为2时，输出电压谐波幅值为3800左右且谐波含量较幅值1.5时又增大很多。

综上所述正弦调制波幅值≥0.9时，输出电压为标准的13电平，但是随着幅值的增大输出电压的谐波含量也随之增加，所以本仿真中正弦调制波幅值取1是比较合理的。 6.总结：

此仿真一定还有很多不足的地方，控制电路比较繁琐，接线比较复杂，其实正弦调制波和三角波载波完全可以用编程的方式加以实现，那样看起来控制电路会比较简单。

另外，三个功率单元组成的三相逆变电路没有做出来，因为其控制电路一直没有设计到位，脉冲触发有错误。根据论文其输出电压

三电平H桥级联型逆变器仿真复现 第 13 页 共 13 页

应该为9电平。

通过对功率单元拓扑主电路、偶数个3H桥级联和奇数个3H桥级联的仿真结果分析，验证了论文中给出其控制方法的正确性和可行性。

7、参考文献：

[1]张颖、李崇坚，三电平H 桥级联型逆变器，电工技术学报2011.5 [2]刘凤君. 多电平逆变技术及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社 ,2007.

[3]王兆安、黄俊. 电力电子技术[M]. 北京: 机械工业出版社,2007.