基于H桥级联型五电平逆变器的Matlab仿真分析
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【摘 要】多电平逆变器广泛应用于电机调速等领域，本文在分析级联型逆变器的基础上，深入分析了SPWM控制技术及逆变器的谐波问题。通过Matlab/simulink软件对H桥级联型五电平逆变器进行建模仿真，得到了不同调制比情况下的电压及电流波形，并分析了不同调制比情况下的谐波问题。
【关键词】多电平逆变器；H桥级联；载波移相PWM；谐波
Simulation and Analysis of H-bridge Cascaded 5-level Inverter Based on Matlab
CHAI Ai-ping
（Department of Electronic and Information Engineering， Wuwei Occupational College， Wuwei Gansu， 733000）
【Abstract】Multi-level inverter has been widely used in motor speed regulation， and other fields.This paper first briefly introduced in the cascaded inverter，in-depth analysis of SPWM control technology and its harmonic problem.Based on the Matlab/simulink simulation platform，H-bridge cascaded inverter will be simulated.Then get the voltage and the current waveform by different modulation ratio， and analyzes the harmonic problems by different modulation ratio.
【Key words】Multi-level inverter； Vasvaded H-bridge； Varrier phase shifted SPWM； Harmonics
0 引言
多电平逆变器是以电力系统中直流输电、无功功率补偿、电力有源滤波器等应用发展的需要，高压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及20世纪70年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的世界各国对节能技术与环保技术的广泛关注为背景的[1]。
H级联型逆变器是一种由相同模块组成的多电平逆变器，当某模块出现问题时，可将其忽略，其余模块可继续维持逆变器的正常工作，大大提高了系统的可靠性；按载波移相SPWM控制技术进行PWM控制，各单元输出波形叠加即可得多电平输出，控制法比箝位型电路对各桥臂的简单，也易于扩展。同时，对不同调制比情况下的电压进行了谐波分析。
1 主电路拓扑结构
级联型多电平逆变器是采用功率单元串联叠加的级联式逆变结构，级联式多电平逆变器的主开关器件的耐压，被限定在向它所在基本功率单元供电的独立直流电源电压上，多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流输出侧串联叠加，就可以得到高压多电平电压输出。由于各个基本功率单元的直流电源电压是相互独立的，它们之间没有直接的电联系，因此不存在均压问题，对于m电平的逆变器，所需的单相全桥逆变器（2H）个数和独立电源个数为（m-1）/2，输出相电压的电平数为m，输出线电压的电平数为2m-1，本文取m=5，拓扑结构如图1所示。
图1 单相五电平逆变器拓扑
2 载波移相SPWM控制技术
级联式多电平逆变器的控制方法特别是H桥级联式多电平逆变器的控制方法，大多采用三角载波移相（PS）PWM控制法。这种控制方法有以下优点：
①在任何的调制比M下（任何基波频率下），输出电压保持相同的开关频率。而其他的三角载波PWM控制方式在调制比M降低时，会出现部分H桥单元没有PWM电压输出，造成输出电压开关频率的下降，使得输出电压的谐波含量增加。
②H桥单元之间不存在输出功率不平衡的问题。因为在三角载波移相PWM控制方式下，各级之间的输出电压的PWM波形基本一致。而其他控制方式则会出现不一致，使得不同级层的H桥单元的功率不同。
③与主电路的模块化结构相一致，三角载波移相PWM方式中针对各个H桥单元的载波和调制波也呈现模块化结构。
④对于同样的三角载波频率，三角载波移相（Ps）方式的输出电压频率是载波频率的N倍（N为串联H桥单元个数，三角载波互差180°/N）[2]。
本文所研究的逆变器由两个全桥模块级联而成。对于两模块级联型H桥拓扑，需要4列互差90°的载波来实现（PS）PWM调制方法，载波与正弦调制信号比较得到的8路脉冲信号来驱动8个IGBT，得到五电平输出。
本文级联型逆变器的具体调制方法如下：
（1）初始相位为0°的三角载波U1与调制波sin比较得到脉冲信号G1驱动左半桥上开天管V1，与G1互补的脉冲信号GN1驱动左半桥下开关V2；
（2）初始相位为90°的三角载波U2与调制波sin比较得到脉冲信号G2驱动右半桥下开天管V4，与G1互补的脉冲信号GN2驱动右半桥上开关V3；
（3）初始相位为180°的三角载波U3与调制波sin比较得到脉冲信号G3驱动左半桥上开天管V5，与G1互补的脉冲信号GN3驱动左半桥下开关V6；
（4）初始相位为270°的三角载波U4与调制波sin比较得到脉冲信号G4驱动右半桥上开天管V8，与G1互补的脉冲信号GN4驱动右半桥下开关V7。
综上所述，U1～U4，4列载波分别和一列正弦波调制波相交后按时序给V1、V5和V4、V8，其互补信号分别给V2、V6和V3、V7。具体的信号分配情况如图2、表1所示。
图2 单相五电平信号时序图
表1 信号分配表
3 谐波分析
由于电力电子器件在电网中的运用，谐波问题是不容忽视的[3]。理想的正弦波电压可表示为：
u（t）=■Usin（ωt+φ）（1）
当理想的正弦波施加在非线性电路上时，对于周期为T的电压可分解为傅里叶级数：
u（ωt）=a■+■（a■cosnωt+b■sinnωt）（2）
谐波次数为谐波频率和基波频率之比，为了方便分析，n次谐波含有率表示为：
HRI■=■×100%（3）
电流谐波总畸变率表示为：
THD■=■×100%（4）
4 Matlab仿真分析
4.1 仿真模型
图3 单相五电平逆变器仿真模型
图4 PWM发生器模型
为了分析五电平逆变器控制特性并进行谐波分析，利用Matlab/Simulink软件对单相五电平方法进行了建模。图3为单相五电平逆变器的Simulink模型图。仿真模型包括PWM模块、H桥模块、直流侧电源、RL负载。其中PWM模块的具体结构图如图4所示，两单元对应三角载波相位上相差90°相角，公用一个正弦波发生器。
4.2 仿真结果及分析
仿真条件：直流母线电压100V， RL负载R=10Ω，L=30mH，四个载波频率为1kHz，正弦调制波频率为50Hz。调制比可调分别取调制比为M=0.2、M=0.4、M=0.6、 M=0.8、M=1时，得到如图5-图14的仿真结果。
从图5-图9的仿真波形可知：调制比为1、0.8和0.6时，输出电压的基波幅值超过最大基波幅值的一半，因此输出电压为五电平，包含+200V、+100V、0V、100V、200V。调制比为0.4和0.2时，输出电压的基波幅值小于等于最大基波幅值的一半，因此输出电压为三电平电压。说明输出电压以及输出电流与调制比有关，调制比越大，输出电压电平数越多。
图5 M=0.2时负载电压及电流波形
图6 M=0. 4时负载电压及电流波形
图7 M=0.6时负载电压及电流波形
图8 M=0.8时负载电压及电流波形
图9 M=1时负载电压及电流波形
从仿真波形可以看出高次谐波在2Nkf（k=1，2，3…；N=2）附近分布，表2给出了不同调制比下的总谐波THD值。随着调制比的增大，电压电平数增多的情况下，总谐波THD值逐渐降低。
图10 M=0.2时电压频谱
图11 M=0.4时电压频谱
图12 M=0.6时电压频谱
图13 M=0.8时电压频谱
图14 M=1时电压频谱
表2 不同调制比电压频谱分析对照表
5 结束语
本文分析了H桥级联型五电平逆变器原理及优势，对基于载波移相调制下的单相五电平级联型逆变器建模仿真，通过分析不同调制比下的仿真结果得到随着调制比的增加，电压电平数逐渐增加，谐波含量明显降低，为分析多电平逆变器的谐波问题提供了基础。
【参考文献】
[1]刘凤君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器[M].北京：电子工业出版社，2010.
[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]刘敬.H桥级联型多电平逆变器的研究[D].上海交通大学，2010.
[4]侯世英，万江，时文飞.以单相五电平逆变器为例分析比较多载波PWM方法[J].电源技术与应，2007（6）：131-134.
[5]卢忠义.基于2H桥级联的多电平逆变器的仿真研究[J].科园月刊，2010（15）：63-64.