关键词：Matlab Simulink仿真模块；三电平PWM逆变器；波形重构

A Research on Three Level PWM Inverter Based on Simulink

Abstract: According to Matlab Simulink module as the simulation platform, the use of three level PWM inverter to adjust the signal. When the input waveform changes, waveform reconstruction can be carried out according to the modulation ratio of PWM inverter to achieve the purpose of waveform reconstruction. Passing the three level PWM inverter can run the simulation graphics, also can achieve the purpose of waveform reconstruction.

Key words: Matlab Simulink simulation module; Three level PWM inverter; Waveform reconstruction

1  引言

PWM控制技术要求比较高的开关频率才能有效地降低谐波，故限制了在大功率逆变器中的应用，因为大功率开关器件的开关速度有限，不能实现高频PWM控制，即使能采用高频PWM控制。由于电源功率大，故功率器件的开关损耗是极为严重的，从而使得开关器件的冷却问题难以解决，需要采用PWM逆变器来进行波形重构。

波形重构，就是在主电路上采用几个逆变器，让他们的输出波形在相位上错开想要的角度进行叠加，去获得接近正弦波的阶梯波形，以减小谐波含量。本次研究课题内容是讨论电压型三电平的波形重构。

2  PWM控制原理

三电平逆变器结构如图1所示。采用两个主管串联，中间一对二极管嵌位的结构。可以看出，各主管承受的反向电压是中间回路直流电压的一半，即主管承受的耐压相对于两电平逆变器降低一半。

图1  三电平PWM逆变器原理图

其工作原理可以由一相桥臂分析，以a相桥臂为例：当VT1、VT2开通，VT3、VT4关断时输出电压位+Ud/2；当VT2、VT3开通，VT1、VT4关断时输出电压为0；当VT3、VT4开通，VT1、VT2关断时输出为－Ud/2。如表1所示。

表1  三电平每相输出电压组合                                                                                                                

b和c相的开关状态和输出的电压与a相相同，只是在相位上相差2π/3。通过此种变换规律，就可以得到三相三电平波形。当采用SPWM控制时，每相桥臂4个开关管的开关状态脉冲方式由三角波和正弦波的交点确定。

3  主电路仿真图

三电平波形重构的结构如图2所示。采用两组如图1所示的三电平逆变器并联而成，两组逆变器的输出由一个变压器进行串联进行叠加。脉冲发生器pulse产生两组脉冲pulse1、pulse2分别向逆变器1(three-level Bridge 1)、逆变器2(three-level Bridge 2)提供一定脉冲。

图2  逆变器波形重构主电路

4  波形重构分析

现以a相为例来分析三电平波形重构的原理。由于两组逆变器是通过变压器进行串联的，相当于两组中的逆变器1中产生的电压与逆变器2产生的电压相减。所以要进行波形重构，两组逆变器产生的电压波形在逆变器1产生+Ud/2，逆变器2只能产生0或-Ud/2；逆变器1产生-Ud/2时，逆变器2产生+Ud/2或0；逆变器1产生0电压时，逆变器2可以产生+Ud/2或0或-Ud/2。逆变器1、逆变器2产生的电压如表2所示。b相、c相的输出和a相相同，只是在相位上相差2π/3。
    从表2可以看出重构后的相电压输出电压有5个电平+Ud、+Ud/2、0、-Ud/2、-Ud，输出电压更接近正弦波。

表2  逆变器1、逆变器2的输出重构相电压                                                                                                       

5  仿真结果

采用Simulink对三电平波形重构进行仿真。图3所示为脉冲发生器，利用最简单的脉冲PWM同步调制进行了仿真，调制比m=0.9，直流电压为200V，图3为两组逆变器a相对应管的脉冲，得出线电压的谐波为39.02%，而波形重构后的三电平线电压谐波为38.6%。

图3  三电平PWM逆变器参数设置

图3对应三电平PWM逆变器本次的carrier频率设置的是1500Hz，输出直流频率为50Hz，Type为三电平，调制比为0.9，可根据不同情况进行变化，此模块是仿真中最为重要的部分，其调制比决定波形重构的线电压，要使线电压的谐波变化，调制比就要变大，但是调制比过大，也会导致谐波分量变多，故要综合考虑。

图4  仿真参数设置对话框及参数设置

仿真参数设置如图4所示。此仿真中所选择的算法为ode23tb。现实中由于系统的多样性，不同的系统需要采用不同的算法。相对误差设为1e-3，仿真开始时间一般设为0，停止时间设置为0.1s。

图5 AB线电压重构波形仿真图

AB线电压重构波形仿真结果如图5所示。此波形图的五个输出波形依次为重构前AB相线电压，C相相电流，重构后AB相线电压，C相相电压，A相相电压。当直流200V，PWM逆变器参数设置如图时，波形重构才完成，如需要调节波形谐波，则需要改变R以及逆变器的参数，这里只列举了一种设置情况，其余情况就不一一列举。

图6 重构前AB相谐波分析

重构前AB相谐波分析结果如图6所示。此图为重构前AB相线电压的傅里叶分析，其谐波为39.02%，可见在实际运行过程中，谐波对输出线电压有很大的影响，故抑制谐波，就是一个很有意义的课题，不然会使得用户有很多困扰，也会是电力系统不稳定，重构波形是以PWM逆变器为基础的研究课题。

图7 重构后RLC谐波分析

重构后RLC谐波分析如图7所示。此图为重构后的AB相线电压的傅里叶分析，由图可知谐波为38.6%，跟预期的想法一样，虽然谐波被抑制，但是谐波的影响不可消除，合理运用三电平PWM逆变器可以抑制他的对电力系统的危害，以及对功率元件的开断影响,也会造成电源功率很大，导致开关器件损耗严重，波形重构的工作原理就是获得阶梯的正弦波，以减少谐波的含量，故运用波形重构的工作原理可以很好的解决这些开关器件的问题。由重构AB线电压的波形图可知，通过三电平PWM逆变器能达到很好的效果，起到很好的调节作用，可运用到电力系统的抑制谐波中。

6  结论

本课题探讨了三电平PWM逆变器的工作原理，以三电平PWM逆变器为核心，运用波形重构脉冲发生器的工作原理，对输出端的线电压的相位上错开一定的角度进行叠加，去获得接近正弦波的阶梯波形，从而减少了线电压的谐波影响。从重构前的谐波分量39.02%下降到38.6%，符合预期的猜想。谐波分量对电力系统的危害很大，运用波形重构的方法去减少谐波分量的含量，是本次研究课题的目标，这也为以后波形重构和三电平PWM逆变器的学习与研究奠定了知识基础，该系统具有良好的应用前景，日后进行深入的研究与学习，可以应用于电力系统中谐波的抑制。

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作者简介：

李良广 （1999-） 男 本科在读 研究方向：电力电子