多电平(7电平)级联H桥逆变器的控制

载波法比较生成PWM脉冲后，就可以控制功率开关管动作了，进而输出三相 PWM电压。本文选择同相层叠法为调制方法，对电路进行仿真分析。同样，以单 相七电平为例，分析各H桥单元中开关管PWM脉冲给出的规律，如图3-2所示。
图3-2 采用同相载波层叠法开关管PWM脉冲
4 仿真研究
下面对三相七电平级联H桥型逆变器进行仿真研究并作相关分析。 4.1 电路参数计算 已知条件：额定视在功率 S 2 MV ，额定输出电压 U l 2300V （基波线电压 有效值），逆变器输出频率 f 60 Hz ，RL负载，功率因数 0.9 （滞后）。 由上可知： 相电压 U ph
U N max 3E U Nmin 3E
每相电压可以实现的电平数m为：
（2-2）
m [(U N max U N min ) / E ] 1 7
可实现的电平数集合为：
3E、 2 E、 E、 0、 E、 2 E、 3E
（2-3）
对于三相交流系统，可将送三个单相H桥连接成三角形或星形接法。当逆变 器连接成三角形时，线电压等于相电压，线电压的电平数和电平集合都与相电压 的分析结果相同；当连接成星形时，线电压为两相电压的差值，等效为2N个功率 单元输出电压的叠加。此时可以得到3个H桥单元串联线电压电平数 m' 为：
1 引言
随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展．大容量高压变频调速技术 得到了广泛的应用。目前，高压变频器的电路拓扑结构种类较多，相应的开关功 率器件容量也越来越大，其基本拓扑结构有H桥级联式(CHB)、电容箝位式、二极 管箝位式、飞跨电容箝位式4种。由于CHB的谐波失真和dv／dt很低．而且功率器 件间无需串联就能得到很高的工作电压．其模块化结构还可以降低生产成本。 因 此CHB大量应用在大功率大容量变频以及电力系统中的柔性输配电(FACTS)领域。 介绍了H桥级联七电平逆变器拓扑及CHBI常用的载波移相调制(CPSPWM)和电压移 位调制(VSM)方式。并通过Matlab／Simulink／Powersystem仿真软件对CHB进行 了全面的仿真研究。通过实验验证了理论分析的正确性，表明CHB在高压变频及 电力系统柔性输配电(FACTS)等领域极具实用价值。
6 参考文献
[1]李永东编著.大容量多电平变换器:原理、 控制、 应用.北京： 科学出版社， 2005 [2]Wu Bin.High-Power Converters and AC Drives.wiley-IEEE press.2006 [2]Wu Bin;Song Ping gang Comprehensive Analysis of Multi-Megawatt Varible Frequency Drives-Trans of China Electro-technical Society 2004(08)
Sine Wave >= Relational Operator NOT Logical Operator
Repeating Sequence
<= -1 Constant Product Relational Operator 3 NOT Logical Operator 3 1 PA1
>= Repeating Sequence 1 Relational Operator 1
0.03 t/s
0.04
0.05
0.06
图4-3 VH1、VH2、VH3以及VAN仿真波形
输出线电压波形如下图4-4。
4000
3000
2000
1000
相 电 压 V AB /V
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0
0.01
0.02
0.03 t/s
0.04
0.05
0.06
图4-4 输出线电压VAB波形
（2-1）
其中 U A1 ~ U A3、U B1 ~ U B 3、U C1 ~ U C 3 分别为A、 B、 C各相H桥单元的输出电压，
U AN ~ U CN 为A、B、C各相相电压。
通过分析可知，每个H桥单元输出有三个状态：+E、0、-E。根据公式（2-1） ， 每相电压可以达到的最大值 U N max 和最小值 U N min 分别为：
m' 2 * [(U N max U N min ) / E ] 1 13
（2-4）
3 控制原理
本文采用载波移相控制和电压移位控制对七电平级联H桥电路进行仿真 研究，下面具体介绍这两种调制方法。 3.1 载波移相PWM原理 多电平载波移相法是指， 对于一个n电平变换器，n-1个不同相位订的三角载 波分别与调制波进行比较，生成相对独立的n-1组PWM调制信号，去驱动n-1个功 率单元，每一个单元控制就退化成两电平的PWM控制，各单元的输出相加生成一 个等效多电平PWM波形。
假设载波的周期为Ts，且对应 360 相角，则各个载波依次移相 360 /(n 1) ， 然后分别与调制波进行比较，即为载波移相的基本原理。 以单相七电平为例，各开关管脉冲给出规律如下：
图3-1 七电平单相结构以及开关管PWM脉冲
3.2 电压移位PWM原理 电压移位法也即载波层叠法。对于n电平变换器，采用n-1个等幅值、同频率 的三角波为载波，上下连续层叠，与同一调制波进行比较，在采样时刻根据调制 波与各个三角波的比较结果输出不同的电平，并决定对应开关管的开关状态。 根 据三角载波之间相位关系的排列不同，可分为三种不同的多电平载波比较PWM方 法：同相层叠法（PD），即所有的的三角载波以相同的相位上下排列叠加，然后 进行调制；正负反相层叠法（POD），这种方法使零值以上的三角载波相位和零 值以下的三角载波相位相反；交替反向层叠法（APOD），这种方法是指所有相邻 的三角载波的相位都相反。
Conn1 PC2 Conn2
Subsystem 4 HA 3
Conn1 PA3 Conn2
Subsystem 7 HB 3
Conn1 PB3 Conn2
Subsystem 11 HC3
Conn1 PC3 Conn2
图4-1 主电路图
1）采用载波移相调制 产生脉冲的模块（以A相为例）如图4-2，B、C相只需将其中的调制波依次移 相 120 即可。
9 Out 9 10 Out 10 5 Out 5 6 Out 6
Scope 1 <= 1 Constant 2 Add 2 Relational Operator 5 11 Out 11 NOT Logical Operator 5 12 Out 12
图4-5载波层叠中脉冲产生模块
设置参数， f cr 4320 Hz ， m 0.99 A相三个H桥的输出的电压VH1、VH2、 VH3以及A相输出电压VAN的仿真波形如图4-6.
以上波形的频谱图依次参见附录中图4-3-1，图4-3-2，图4-3-3，图4-3-4， 图4-4-1 2）采用电压移相调制 脉冲触发模块只需在前面的基础上稍加修改即可，同样以A相为例，如下图 4-5，其他两相的调制波依次移相 120 即可.
Sine Wave >= Relational Operator NOT Logical Operator 1 Out 1 2 Out 2
从图431234和461234对比中还可看出另外一个问题前者四个波形形状基本相同电压畸变率保持一致而后四个波形波形不一样且波形畸变相差较大这说明在载波层叠调制中各相以a相为例h桥之间开关管导通时间不一样导通次数不一样不利于电路电路的稳定运行
多电平级联H桥逆变器的控制
*** （****大学 ****） 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， 本文主要针对七电平 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。分别对载 波层叠调制和载波移相调制方法进行了相关仿真研究。验证了两种方法的正确 性 ，同时也对相关量的谐波进行了分析。 关键词：H桥级联；七电平；载波层叠；载波移相
<= -1 Constant 2 Product 2 Relational Operator 5
3 PA3 NOT Logical Operator 5
图4-2触发脉冲模块
设置参数， f cr 720 Hz ， m 0.99 。A相三个H桥的输出的电压VH1、VH2、 VH3以及A相输出电压VAN的仿真波形如图4-3.
Repeating Sequence
<= 5 Constant Add Relational Operator 3 NOT Logical Operator 3
7 Out 7 8 Out 8
3 Out 3 >= Repeating Sequence 1 Relational Operator 1 NOT Logical Operator 1 <= 3 Constant 1 Add 1 Relational Operator 4 NOT Logical Operator 4 >= Repeating Sequence 2 Relational Operator 2 NOT Logical Operator 2 4 Out 4
Ul S 1328V ，相电流 I ph 502 A 3U ph 3
负载阻抗 Z
U ph I ph
arccos 0.9 2.64525.84 ，
Z sin 25.84 2f
R Z cos 25.84 2.38 ， L
3.06mH ，计算得E=630V
4.2 电路仿真 仿真电路图如图4-1.
0.02
0.03 t/s
0.04
0.05
0.06
图4-6 VH1、VH2、VH3以及VAN仿真波形
4000
输 出 相 电 压 V AB /V
3000
2000
1000
0
-1000
-2000
-3000
-4000
0
0.01
0.02
0.03 t/s
0.04
0.05
0.06
图4-7 输出线电压VAB波形
以上波形的频谱图依次参见附录中图4-6-1，图4-6-2，图4-6-3，图4-6-4， 图4-7-1
L1 L4 L5 R1 R4 R5
HA 1
Conn1 PA1 Conn2 PB1
HB 1
Conn1
HC1
Conn1 PC1
Conn2
Conn2
HA 2
PA1 Conn1 PA2 PA2 Conn2 PA3 PB3 PB2 PB2 PB1
HB 2
PC 1 Conn1 PC 2 Conn2 PC 3
HC2
2 七电平级联H桥的拓扑结构
图2-1 七电平级联H桥型拓扑
图2-1是七电平级联型H桥型拓扑结构，每相由3个H桥单元串联。对于N 电平可依此类推。 从图可看出，每相输出电压等于该相3个H桥单元输出电压的叠 加，即每相总的电压为：
U AN U A1 U A 2 U A3 U BN U B1 U B 2 U B 3 U CN U C1 U C 2 U C 3
VH1 /v
1000
0
-1000
VH2 /v
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
1000
0
-1000
VH3 /v
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
1000
0
-1000 2000
V AN /v
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0
-2000
0
0.01
0.02
NOT Logical Operator 1 <=
2 PA2
-1 Constant 1 Product 1
Relational Operator 4
NOT Logical Operator 4
>= Repeating Sequence 2 Relational Operator 2
NOT Logical Operator 2
V H1 /V
1000
0
-1000
V H2 /V
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
1000
0
-1000 1000
V H3 /V
0
0.01
0.02
0.03

V AN /V
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0
-2000
0
0.01
5 结论分析
从频谱分析来看，与传统两电平逆变器以及三电平逆变器相比，采用级联H 桥电路逆变器的输出电压波形畸变率大大减小，输出波形质量得到了很大的改 善。同时，逆变器在电压移相调制方法下的输出线电压波形的畸变率（THD）比 在载波移相调制方法下的畸变率要小，前者THD=10.79%，后者THD=15.20%。相电 压畸变基本一样。 从图4-3-1/2/3/4和4-6-1/2/3/4对比中，还可看出另外一个问 题，前者四个波形形状基本相同，电压畸变率保持一致，而后四个波形，波形不 一样，且波形畸变相差较大，这说明在载波层叠调制中，各相（以A相为例）H 桥之间开关管导通时间不一样，导通次数不一样，不利于电路电路的稳定运行。