高等院校电力系统及自动化第三十届学术会议集

1、仿真的多电平逆变电路 S性能分析基于控制策略1，电力学院11.：1.摘 要：近年来，多电平逆变器在高压大电容逆变中得到广泛应用，而其控制策略和电路拓扑图也逐渐成为了研究的热点。较之于两电平，三电平的优点在于：1、减少功率开关管的耐压承受力；2、可以大大改善输出的THD；3、利用不同相之间的相位差产生叠加的电平，提高总的电压输出。本文对三电平传统 S控制策略，以及载波层叠、载波交叠进行研究，在相同的拓扑图和载波频率下，对不同控制策略产生的结果进行性能分析。进而比较不同控制策略中的优劣。：二极管箝位多电平逆变器；载波交叠；THD；谐波抑制Theyze of SControl Strategiesh

2、eMulti-Level Inverter based onAbstract: In recently years, multi-level inverter are widely used ofsimulationhigh voltage and large capacityinverter, its circuit structure and control strategies are trend to be the hot-spot research. Compare withtwo-level inverter, three level inverter have three adv

3、antages as follow., reduce the tube stresstolerance ofer switches. Second, it can gre y improve the output THD. Third, make the differentphase to produup Traditional Sosition level and improve the output voltage. control strategy and carrier-based strategy areyze in this disser ion.yzing the result

4、of different control strategy, based on the same structure and carrier frequency, andthen make a comparativeKeywords: Diode-Clysis.ed Multi-Level Inverter; Carrier overlap strategy; THD; Harmonic suppres引言：一多电平逆变器的发展及控制策略绿色能源，环境污染，新能源是近年来的热点话题，而随着新能源的容量不断提高，工业领域对功率变换装置要求也日益增加。作为能源消耗较大的发电系统，以火力发电为主的发

5、电系统将与可再生能源发电互为补充。逆变器则是可再生能源中的重要设备1。由于传统的两电平逆变器拓扑结构较为简单，在大功率运用中存在许多问题，因此多电平逆变被推上了大功率逆变的舞台。多电平逆变器的基本在拓扑结构上可以分为三类：二极管箝位型多电平逆变器；飞跨电容多电平逆变器和独立直流电压源的级联型多电平逆变器。本文通过针对二极管箝位型三电平的不同1980 年，长冈科技大学的 A.Nabae 等人在IAS 年会上首次提出了中点箝位()逆变器2。并在1983 年被进一步推广到多电平的结构，为高压大容量电压型逆变器开辟了一条独特的道路，之后又在高压大功率交流电频变速、交直流变换及电能质量上得到了广泛的应用

6、。中点箝位型(Neutral PoCled)多电平逆变器，又称二极管箝位型(Diode Cled)，是通过串联的电容将直流侧的高压部分分成一系列较低的电压，并利用多个二极管对相应的开关元件进行箝位，解决了功率器件的串联均压问题。图 1 为 n 电平逆变器的电路拓扑，上下桥臂各有 n-1 个功率开关管，直流侧电压值为Ud=（n-1）Udc。S控制策略进行仿真，分析对比同一拓扑结构，不同的控制策略下对电压利用率和线电压谐波总畸变率效果的影响，尤其是在载波交叠的控制策略下交叠部分对谐波抑制的影响。载波层叠采用两组相同频率，相同幅值，并分布调制波同一调制波正负半波的三角波，载波分为上下两次层，当正弦波

7、正半波大于上层载波时，输出电平 Ud/2；当正弦波负半波小于下层载波时，输出电平-Ud/2；其余部分输出为 0。下面针对中点箝位三电平逆变器的不同控制策略进行仿真。触发信号采用普通的 S逻辑比较法、载波层叠法、载波载波交叠法。额定直流电压设定为 100V，加直流电阻 1，负载为阻感负载，电阻为 10，电感值为 1e-3H，仿真时间为 0.2s，仿真算法为 ode45，观察输出仿真波形和输出线电压的谐波总畸变率。图 1 多电平逆变拓扑结构中点箝位输出的电平可以视为是顺位开关的结果，即功率开关必定是 n-1 个连续的开关同时导通，而上桥臂开关导通的个数决定电平产生的高度。当上桥臂全导通时，输出电平

8、为 n-1；如果顺位一个功率开关，即+Sn-1 关断，-S1 导通，则输出电平为n-2，其过程如同n-1 个功率开关管整体向下移了一位。因此，二极管箝位三电平逆变器有 Ud/2、0、-Ud/2 三种电平状态。二三电平逆变电路逻辑比较仿真二极管箝位三电平的主电路拓扑结构如图 3 所示：二极管箝位三电平逆变器的技术，一直是多电平研究领域的内容之一。基于传统两电平控制策略的经验，又经过近几十年的发展，多控制形成了几类不同的实现方法，同时还电平有新的控制策略不断涌现。现阶段，针对三电平最为常用的控制策略有以下三种基本方式：三电平正弦波技术(S)；三电平特定谐波小区技术)。(SHE在S)；三电平空间矢量

9、技术(SV图 3 二极管箝位三电平的主电路拓扑结构从电路图中可以看出，每相有 4 个箝位二极管组成，二极管反向与 4 个调制技术中，载波层叠控制方法广泛应用，和两个并在此基础上进一步发展处载波交叠的调制方法。并联。当载波层叠控制方法是直接从两电平S上桥臂的两个功率开关管均导通，即V11，V12 同时导通，而下桥臂的功率开关管均关断，即 V41，V42 关断，输出端 A 点对 O 点电压为 Ud/2；当开关管 V12,V41 同时导通时，输出端 A 点与 O 点相连，A 点对 O 点的电平为 0；当开关管 V41，V42 同时导通，V11，V12 关断时，输出端A 点对O 点的电平为-Ud/2。

10、V11 和V41、 V12 和V42 的工作状态为互补状态，否则电路会产生短路，表 1 给出了开关导通状态与电平之间的关系。表 1 开关导通状态与输出电平关系发展而来，根据三角载波的相位关系，其控制策略可以分为载波反向层叠式、载波同相层叠式和载波正负相反层叠式三种形式。对于三电平逆变器而言，仅用到前两种控制，而载波正负相反层叠式的应用于五电平及以上的电路拓扑。图 2 给出了载波同相层叠式的控制方法3。输出电平V11V12V41V42Ud/2ononoffoff0offononoff-Ud/2offoffonon图 4 给出了A 相的逻辑控制策略模型，A，B，C三相调制波分别相差 120相位差。

11、图 2 载波同相控制图 4 S逻辑控制策略仿真模型(a) 三电平逆变载波层叠控制策略模型(a) 三电平逆变仿真波形(b) 载波层叠信号图图 6 三相逆变载波层叠模型及载波仿真图 7 给出了载波层叠下仿真波形及输出相电压FFT 分析：(b) 输出相电压 FFT 分析图 5 三电平仿真输出波形图与相电压 FFT 分析其中，Uan、Ia、Uab 分别为输出相电压、输出相电流和输出线电压。从输出波形可以看出，逻辑控制策略中，电压利用率为 29.89/77=38.82%。电容的对中点箝位的影响巨大，输出相电压Uan 的电压总畸变率达到 81.14%。(a) 载波层叠逆变仿真波形三三电平逆变电路载波交叠仿

12、真当开关状态为1 0 0 1时，输出的电平值为 0，因此可以做一个假设：如果在调制过程中，能减少输出 0 电平状态的次数以及持续时间，其输出的电压会有一定程度上的提高。首先，对载波层叠进行仿真，图 6 给出了载波层叠控制策略的模型结构以及载波层叠的仿真图。(b) 输出相电压 FFT 分析图 7 载波层叠逆变波形及输出相电压 FFT 分析从 FFT 中可以看出，这种情况下电压利用率为22.8/50=45.6%，输出相电压的电压总畸变率为 73.83%接着对载波交叠进行仿真，图 8 给出载波交叠为-0.2 0.2的波形：图 8 交叠部分为-0.2 0.2的载波控制仿真图图 9 给出了交叠部分为-0

13、.2 0.2波交叠控制(b) 三电平逆变输出仿真波形的逆变输出波形及输出相电压 FFT 分析：(a) 交叠部分为-0.2 0.2下的逆变仿真波形(c) 输出相电压 FFT 分析图 10 交叠部分为-0.4 0.4情况下的仿真该情况电压利用率为 26.46/50=52.92%而输出相电压总畸变率为 72.41%。(b) 输出相电压 FFT 分析图 9 交叠部分为-0.2 0.2下的逆变输出波形以及 FFT 分析该情况下的电压利用率为 25.09/50=50.18%，输出相电压电压总畸变率为 65.16%。图 10、图 11 分别给出了交叠部分为-0.4 0.4和-0.6 0.6的载波图形、仿真输

14、出波形以及输出电压 FFT 分析：(a) 交叠部分为-0.6 0.6的载波交叠(a) 交叠部分为-0.4 0.4的载波交叠法(b) 三电平逆变仿真输出电路交叠并不是交叠越深波形越理想，而是在最优值下才能得到相对理想的电压利用率以及谐波总畸变率。参考文献1. Bin Wu. High-2006er Converters and AC Drives. Wiley-IEEE Press,2. Nabael A, Takahashi I, Akagi HC. A New Neutral-poCled(c) 输出相电压 FFT 分析InverterJ, IEEE Trans on Industrial

15、Application, 1981, 17(5);518-523图 11 交叠部分为-0.6 0.6情况下的仿真对于给出的 FFT 分析可以得到：改情况下电压利用率为 26.78/50=53.56%，而输出相电压的电压总畸变率为 87.36%。3. 闻振华，美. 三电平逆变器 S控制策略的研究D.硕士：华技大学，2009.06四不同 S能比较控制策略下三电平逆变性以上的中载波频率为仿真都是在相同参数下完成的，其2000Hz，调制波峰值为 0.8，频率为50Hz，对比几种控制策略，其电压利用率和谐波总畸变率的关系如表 2 所示：表 2 各种参数下电压利用率及 THD 比较电压利用率输出谐波总畸变率控制策略逻辑控制38 82%45 6%81 14%73 83%载波层叠-0 2 0 2交叠50 18%65 16%-0 4 0 4交叠52 92%72 41%-0 6 0 6交叠53 56%87 36%对比表 2 的数据，不难得出：载波层叠的控制策略要优于通过逻辑比较得出的控制策略，但载波交叠并不是随着交叠部分越来越深而越