1、王盈：T型三電平逆變器的設計1摘要三相三電平逆變器具有輸出電壓諧波小，dv/dt小，EMI 小等優點，是高壓大功率 逆變器應用領域的研究熱點，三相二極管中點箝位型三電平逆變器是三相三電平逆變 器的一種主要拓撲，已經得到了廣泛的應用。三相T 型三電平逆變器，是基于三相二極管中點箝位型三電平逆變器的一種改進拓撲。這種逆變器中，每個橋臂通過反向串 聯的開關管實現中點箝位功能，是逆變器輸出電壓有三種電平。該拓撲比三相二極管 中點箝位型三電平拓撲結構每相減少了兩個箝位二極管，可以降低損耗并且減少逆變 器體積，是一種很有發展前景的拓撲。本設計采用正弦脈寬調制（SPWM本文介紹了三相 T 型三電平逆變器的設

2、計，介 紹其結構和基本工作原理，及 SPW 控制法的原理，并利用 SPW 控制的方法對三電平 逆變器進行設計與仿真。本設計采用 SIMULINK 寸 T 型三電平逆變電路建立模型，并進 行仿真。關鍵詞： T 型三電平逆變器、正弦脈寬調制、SIMULINK 仿真王盈：T型三電平逆變器的設計2目錄第一章緒論. 61.1 研究背景及意義.1.2 三電平逆變器拓撲分類第一章 T 型三電平逆變器工作原理分析. 61.1 逆變器的結構1.2 本章小結第二章正弦脈波調制（SPW）. 73.1 PWM 與 SPWI 的工作原理3.2三電平逆變電路 SPW 的實現3.3 本章小結第三章電路仿真與參數計算. 10

3、4.1逆變器的基本要求4.2電路圖4.3調制電路4.4L-C濾波電路4.5 結果分析第四章課程設計小結. 14參考文獻. 15王盈：T型三電平逆變器的設計3第一章緒論1.1 研究背景及意義近年來，隨著經濟的飛速發展，人類對能源的需求也大幅度增加，而傳統能源面臨著 枯竭的危機。在這種情況下，我們不得不加速開發新型能源。各國的專家致力于新能 源的開發與利用，光伏發電、風力發電、生物發電等各種新型發電技術已經得到了一 定的應用，并且正在蓬勃的發展，尤其是光伏發電，因其成本低、穩定性較好，控制 簡單等優點，在各國得到了廣泛的應用。受地區氣象條件的影響，太陽能光伏電池板 輸出的直流電壓極不穩定，而且電壓

4、幅值低，容量小。為了高效利用太陽能，需要將 不穩定的光伏電池串、并聯組合，并且經過多級電力電子變換器組合輸出恒頻交流電 壓并網運行。而把這些初始能源轉化為可用電能的橋梁就是逆變器。隨著開關器件的 不斷發展，逆變器的拓撲、調制方式和控制策略也在不斷發展，控制理論在逆變器的 控制上得到了很好的應用，這一切都保證了優良的供電質量。在一些高電壓、大功率 的應用場合，傳統的兩電平逆變器由于開關器件耐壓限制，無法滿足需求。在這種情 況下，如何將低耐壓開關器件應用于高電壓大功率場合成為各國專家研究的熱點，由 此，多電平逆變器技術應運而生。多電平的概念最早是由日本專家南波江章（A.Nabae） 等人在 198

5、0 年提出的1，通過改變主電路的拓撲結構、增加開關器件的方式，在開 關器件關斷的時候將直流電壓分散到各個器件兩端，實現了低耐壓開關器件在大功率 場合應用。1.2 三電平逆變器拓撲分類常見的多電平的電路拓撲主要有三種：二極管箝位型逆變器、飛跨電容箝位型逆變器 和具有獨立直流電源的級聯型逆變器。 本文研究的 T 型三電平逆變器可以說是中點箝 位型逆變器的改進拓撲，其優勢主要體現在減少了電流通路中的開關器件數量，減少 了傳導損耗。而且與二極管箝位型三電平逆變器相比，T 型三電平逆變器的每個橋臂少用了兩個箝位二極管，其控制方法和二極管箝位型三電平逆變器類似2。T 型三電平逆變器融合了兩電平和三電平逆變

6、器的優勢，既有兩電平逆變器傳導損耗低，器件 數目少的優點，又有三電平逆變器輸出波形好，效率高的優點，是很有發展前景的一 種三電平逆變器拓撲。王盈：T型三電平逆變器的設計4第二章T型三電平逆變器的工作原理2.1 逆變器的結構PS圖 1 T型三電平逆變器結構以 A 相為例，當開關管 亀,Sa2同時導通，Sa3, Sa4同時關斷時，輸出端 A 相 對于直流側零電位參考點 0 點的電平為 Udc/2 ；當開關管 Sa2、Sa3，同時導通，Sa1,Sa 4同時關斷時，輸出端 A 相對于 0 點的電平為 0 ；當開關管 Sa3， Sa4同時導通， Sa1，Sa2同時關斷時，輸出端 A 相對于 0 點的電平

7、為-Udc/2。如表 2-3 所示。 并且開關管 Sai與 SU不能同時導通，不考慮死區時間時，開關管 Sai和 Sa3，Sa2和 Sa4的驅動脈沖是 互補的。開關狀態不能在 P 和 N 之間直接轉換，必須通過 0 狀態來過渡。A 點 的相電壓幅值為Udc/2, 0 , - Udc/2 三種電平狀態，故稱為三電平逆變器。1：Sa1、Sa2導通，Sa3、Sa4關斷Ua=Udc/22：Sa2、Sa3導通，Sa1、 Sa4關斷Ua=03：Sa3、 Sa4導通，亀、Sa2關斷Ua=- Udc/22.2 三電平王盈：T型三電平逆變器的設計52.3 本章小結本章對 T 型三電平逆變電路的結構及工作原理進行

8、了簡單的介紹，并對逆變器的控制提出要求，在下一章中將會重點對如何進行調制進行詳細的討論。王盈：T型三電平逆變器的設計6第三章正弦脈波調制（SPWM3.1 PWM 與 SPWM 勺工作原理多電平逆變器的 PWMI 制技術是多電平逆變器研究中一個相當關鍵的技術，它與 多電平逆變器拓撲結構的提出是共生的，因為它不僅決定多電平逆變的實現與否，而 且，對多電平逆變器的輸出波形質量、電路中的器件應力、系統損耗的減少和效率的 提高都有直接的影響。多電平逆變器的調制在傳統兩電平的基礎上增加了零電平，從 而使輸出電壓的諧波含量更進一步減少。PWM 空制技術的基本原理是根據采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而

9、形 狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。 這里所說的效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM 控制技術的重要理論基礎。下面分析如何用一系列等幅不等 寬的脈沖來代替一個正弦波。如圖 3 所示的正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 個彼此相連的 脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線， 而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅 而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦部分的中點重合，且使矩形 脈沖和相應的正弦波部分面

10、積相等，就可以得到圖 3-1b 所示的脈沖序列。這就是 PWM 波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規律變化的。根據面積等效原 理，PWM 波形和正弦半波是等效的。對于負半周期也可以按同樣的方法得到PWM 波形。王盈：T型三電平逆變器的設計7像這種脈沖的寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM 波形，稱為 SPWM 波形（Sinusoidal PWM 波形）。3.2 正弦脈波調制（SPWM 的實現每相采用兩個幅值相等，頻率相同，相位亦相同的三角波作為波載波層疊,PWM方法是兩電平正弦波調制在多電平領域的一個擴展。一三電平逆變器，應該與同一正弦調制波進行對比，兩個三角載波在空間上是持

11、續的且對稱形成于零參考的正負 兩側,原理圖如圖 3.1 所示。根據調制波與各個三角載波的比較得出輸出不同的電平級別，從而決定對應 關管的開關情況。當調制波 Up 的值遠高于上面載波 Ucl 的值,貝 II 為“1”的狀態，輸出電Ud/2;當調制波 Ur 的值遠低于下面載波 Uc2 的值,則為“-1 ”狀態,輸出電壓為 -Ud/2;其余則為“ 0”狀態,輸出數為 0。載波比較法生成 PW 脈沖諧波后，能夠控制功率 關操作，繼續輸出三相 PWM電壓。載波層疊 PW 法的特點是輸出波形好，諧波含量相對較低，控制相對簡單，易于實現，可用于任何電平數的多U 平逆變器，可以在整個調制過程比變化范_內 進行

12、王盈：T型三電平逆變器的設計8如圖 4 為正弦波與三角波的比較產生 PWM 脈沖，P1 信號接往 S1 和反相后接 S3, P2 信號接往 S2 和反相后接 S4。由圖可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使 調制工作與高調制度的情況下。正半周波時，正弦波始終高于下面三角波，則產生的 PWM 波使 S4 始終關斷，同理負半周波，S1 始終關斷。3.3 本章小結本章主要討論了多電平逆器的 PWMH 制方法。首先介紹了多電平逆變器的控制目 標及PWM 技術的基本原理。再詳細介紹了多載波調制PWM闡述了各個開關管的工作狀態。通過本章的介紹，對多電平逆變器的調制方法進行詳細了解。王盈：T型三電平逆變

13、器的設計9第四章電路仿真及參數計算4.1 逆變器的基本要求已知參數和設計要求：輸入電壓 600V,輸出功率 50kW 輸出三相相電壓 220V, 50Hz,帶 50kW 阻性負載，要求輸出電壓 THD、于2%4.2 電路圖圖 56SIMULINK 仿真-主電路圖與原理圖基本一致。參數：電壓源：600V - DC 3= C2=1500 卩 F, R 仁 R2=0.00000?4.3 調制電路LDgic&lOperatorl單相 SPWM 調制電路取其中一個信號來觀測，連線如圖 6,波形如圖 7Rep&fitmgRelationalps.tw4王盈：T型三電平逆變器的設計10（為以

14、便觀察 三角波的頻率設為200hz）圖 8 （信號波，載波，Q1 控制波 在一個周期內的波形）可以發現，經過調制出來的波形基本滿足SPW 調制后的結果。在最后的仿真過程中，鋸齒波的周期為 0.00005s，即頻率為 20kHz.4.4 L-C 濾波電路在 SPW 逆變器中，逆變器的輸出 LC 濾波器主要用來濾除開關頻率及其鄰近頻帶的諧波?？疾煲粋€濾波器性能的優劣首先是看它對諧波的抑制能力，具體可以從THD值來體現。另外需要盡量減小濾波器對逆變器附加的電流應力。電流應力增大，除使 器件損耗及線路損耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD 值小的要求與濾波器引起的附加電流應力小的要求往往是

15、矛盾的。LC 濾波器的示意圖如下圖 8 所示。L_王盈：T型三電平逆變器的設計11二二C圖 9 L-C 濾波器在濾波電路中，忽略逆變電路等效電阻時濾波器的傳遞函數為:S +S +RC LC上式也可寫為：式中：=尿 為自然振蕩角頻率。這是一個典型的二階振蕩系統，從頻域上分析，考慮幅頻特性和相頻特性，知道 影響濾波效果的參數主要是轉折角頻率和阻尼比。選擇SPWM 逆變器的輸出 LC 濾波器的轉折頻率遠遠低于開關頻率，這樣對開關頻率及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑 制作用。一般要求fr fL1/10 fC其中，fr為基波頻率，此處為 50Hz, fC開關頻率，此處為 20kHz,取轉折頻率 fL=1/

16、10 fC1則有=2kHzmVLC令 L=5mH,可求得 C=1.27uF，最后調制取 L=5mh C=5 uF。4.5 結果分析A）波形分析取三相電壓波形，如下王盈：T型三電平逆變器的設計12B）輸出電壓分析：圖 11 輸出電壓有效值C）輸出電壓畸變率分析：分析：從結果來看，能夠獲得一個非常近似正弦波的波形，其有效值為 220V,頻率為 50Hz,THD 為：0.16%。王盈：T型三電平逆變器的設計13圖 12 FFT AnalysisKle Edit View Insert Tools Desldtop Window Help=心占出怎迅電T*云耳1 0- 13Signal to anal

17、yze-9 Display s-elecaed signal Display FFT windowSelect ad signal 25 cycles FFT window (in red) 15 cyclesnpvt 1SignalnumbfrrFFT wndowFFT settingsDisplay styfe :Bar (relatrve to fundamenta1?MSftSCloser _R Powerguii FFT Analysis Took0010J0_30.40.5Time (s)200(-ElLIiBE-sStart time (a): 0.05Humber of cyc

18、les 15Fundamental tfeqy&ncy i.Hz).=nAvailable signalsStructure -SupeOataiFipiit:1.0JuFrequ已貼cy axis:Majc Frequent (Hz):1W0王盈：T型三電平逆變器的設計14第五章課程設計小節本文對三相 T 型三電平逆變器的設計進行了研究仿真，本文主要完成了如下工作：（1） 介紹了三電平逆變拓撲結構，分析了 T 型三電平逆變器的拓撲結構和工作原理，介紹了其輸出電壓和開關狀態的對應關系。（2） 對 PWM 于 SPWM 做了介紹，對三電平 SPW 實現的介紹。（3） 進行了電路仿真，介紹了電路圖與調制電路，計算出L-C 濾波器的參數，實現了仿真出非常接近正弦波的波形，有效值為220V, 50Hz,THD 為0.16%。文獻綜述1陳堅.電力電子學：電力電子變換和控制技術M.北京：高等教育出版社；2004. 1-20 .2Park Y ， Sul S-K ， Lim C-H ， Kim W-C， Lee S-H . Asymmetric Control ofDC-Link Voltages for Se