电力电子系统仿真报告题目三电平H桥级联型逆变器专业班级学生指导教师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电平输出以此类推，N取7，9，1l，…并进行仿真，得到的输出电压电平数为4N+1，随着串联个数的增加，输出电压谐波幅值越来越小，波形越接近正弦波。

2）偶数个3H桥级联当两个3H桥级联时，如果单元间采用上述载波移相方法，即第二个3H桥的三角载波超前第一个180°。

经过分析易知，这样得到的上下两个单元的输出电压一样，级联后输出总电压只是幅值增倍，依然为五电平，而不是理想的九电平。

但是采用第二个3H 桥的三角载波滞后第一个90°的控制方法就可以得到理想的九电平。

也就是说，对于偶数个3H桥级联时，功率单元间载波移相角应该为π/N。

下面将在PSIM软件中进行仿真验证。

当两个3H桥级联时，功率单元内的控制方式不变，只是让第二个3H桥的三角载波滞后第一个90°，仿真得到的单元输出电压和串联输出总电压如图9所示。

单个单元输出为五电平，总的输出电压为理想的九电平。

(a) 单元输出电压(b) 单元输出电压的FFT分析(c) 级联输出总电压(d) 总电压的FFT分析图9 两个H桥级联输出电压及FFT分析波形从上图输出电压的傅里叶分析波形图中可以看出，单元输出电压谐波主要分布在2k(k为自然数)倍载波频率附近，而串联输出总电压谐波则主要分布在4k 倍载波频率附近，谐波明显比传统波形的输出谐波小很多。

对于四个3H桥串联级联组成的逆变器，由于N=4，所以让第二个3H桥的三角载波滞后第一个45°，第三个3H桥的三角载波滞后第二个45°，第四个3H桥的三角载波滞后第三个45°，其他控制不变。

仿真得到的输出总电压为4N+l=17个电平，如图10所示。

并对其进行FFT分析，可以看出，谐波主要集中在8k(k为自然数)倍载波频率附近，与两个单元串联相比幅值更小。

(a) 级联输出总电压（b）FFT分析图10 四个H桥级联17电平输出同样地，N取6、8、10并进行仿真，得到的输出电压电平数为4N+1，随着串联个数的增加，输出电压也越接近正弦波。

以上仿真均是基于调制波频率f m=50Hz，载波频率f c=510Hz，现总结见下表。

表2 3H桥级联个数不同时的对比分析3、三相H桥级联逆变电路输出波形对于三相3H桥级联逆变器的控制，只要将另外两相的调制波+u s、-us分别滞后120°和240°，其他不变。

下面是以1个3H桥级联作为一相组成的三相逆变电路输出波形和2个3H桥级联作为一相组成的三相逆变电路输出的波形。