1、安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）1三电平中点箝位型逆变器 SPWM 控制策略的研究机电系 电气工程及其自动化专业 2003级 1班 史道年指导教师：胡存刚摘要本文以中点钳位型三电平逆变器为模型，介绍了载波反向 SPWM、载波同向SPWM和基于注入三次谐波 SPWM三种控制策略。用 MATLAB/Simulink仿真软件对三电平逆变器 SPWM 进行了仿真研究；并构建了三电平 NPC逆变器实验平台进行了实验研究。仿真和实验结果证实了 SPWM方法的有效性。关键词: 三电平逆变器、脉冲宽度调制、仿真Abstract: This paper introduces SPWM technology
2、applied to three-level Neutral-point-clamped inverter, presents emphatically the thought and model. Pulse width modulation methods are frequently used in adjusting the output voltage of the three-level Neutral-point-clamped inverter. Several PWM methods are introduced. Simulation and experiment resu
3、lts show that the SPWM method is satisfied and effective.Key words: Three-level Inverter, Pulse width modulation, Simulation1 绪论三电平中点箝位（Neutral Point Clamped, NPC）逆变器如图 1，自从A.Nabale1980年在 IAS年会上提出以来 1，由于解决了在中高压场合功率元件耐压低的问题，降低了开关过程中的 ，改善了变换器的输出波形等优点，dtV已经成为当今电力电子和电力传动技术的研究热点。三电平变换器的 PWM 控制方法，是三电平变换器研
4、究中的关键技术，国内外专家学者已经提出了许多的PWM方法 2-4，例如 SPWM、准正弦波 PWM、特定谐波消除 PWM（SHEPWM） 、谐波效应最小 PWM和空间矢量 PWM等。其中 SPWM是最简单和成熟的方法，得到了国内外学者的广泛关注。本文首先简单总结了目前三电平变换器中的拓扑结构，分析和比较了各种拓扑结构的特点。然后介绍了三电平变换器中的各种控制策略，比较了各种控制方法的特点,并详细介绍了载波反向 SPWM和载波同向 SPWM以及基于注入三次图 1 中点箝位型三电平逆变器拓扑结构安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）2谐波 SPWM三种控制策略来实现对二极管箝位型三电平逆变器的控制,
5、最后用仿真工具 分别对以上三种控制方式下建立模型进行仿真,并matlb6.51simulnk比较仿真结果与实验结果。2 三电平 NPC逆变器 SPWM方法在基于正弦载波的 PWM方法中，根据三角载波之间相位关系的排列不同，可以有三种载波层叠 PWM方式：(1)同相层叠方式（Phase Disposition） ，即所有载波以相同的相位上下排列叠加；(2)正负反相层叠式（Phase Opposition Disposition） ，这种方法是使零值以上的载波相位和零值以下的载波相位相反；(3)交替反向层叠式（Alternative Phase Opposition Disposition） ，这
6、种方式是指所有相邻载波的相位都相反。载波移相法(PS)和交替反相层叠的方式非常类似。图 3 (a)， （b） ， （c） ， （d）所示为四种调制方式的五电平载波 PWM示意图。 (a)同相层叠方式 (b) 正负反相层叠方式(c)交替反向层叠方式 (d) 载波移相方式图 2各种载波调制示意图这四种载波 PWM方法在输出谐波方面有所不同。利用双边傅立叶分析，可以得出这四种载波方法的各次谐波的值，从而得出他们在谐波消除方面的优劣。（1）载波同相层叠方式（PD）的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能。交替反向层叠式（APOD）次之，正负反相层叠式（POD）效果最差。（2）APOD 和 PS有相同的谐波
7、性能，前提是在一个基波周期内总的开关次数相同。（3）在 PS方式下，通过不连续的控制波与移相载波的比较，可以得到类似 PD方式的谐波性能。3 基于 MATLAB的三电平 NPC逆变器 SPWM仿真3.1仿真系统整体框图如图4所示是三电平NPC逆变器的SPWM控制系统的总体仿真框图，其中Subsystem是由三角载波和三相正弦波比较得到的三相SPWM波发生器；ThreeLevel Bridge是有二极管箝位型逆变器的拓扑结构，开关器件是IGBT；DC Voltage Source 是直流电源；Series RLC Branch是直流侧箝位电容，安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）3Multime
8、ter 是测量电压模块，Powergui是进行频谱分析模块，还有电机负载模型。图 3三电平 NPC逆变器的 SPWM控制系统的总体仿真框图3.2 基于载波反向 SPWM带电机负载的仿真模块3.2.1 SPWM开关信号的发生模块图 4 载波反向的 SPWM开关信号发生电路图 4是载波反向的 SPWM开关信号发生电路。以 SPWM开关信号发生器一相为例来说明开关信号是如何形成的， 由三角载波发生器生成的三角波形，首先和正弦波发生器输出的正弦波经过 Relational Operator(比较运算模块)这样，在正弦波的正半周形成 PWM波；其次三角载波发生器生成的三角波形经过值为1 的增益模块，其波
9、形反向，这个反向的三角波再和正弦波经过 Relational Operator(比较运算模块)比较之后，在正弦波的负半周形成 PWM波。正、负半周的 PWM波经过 SUM（信号综合）模块合成这一相完整的 PWM波。同理，其他两相的分析相同，这三相的 PWM波经过 MUX(信号合成)模块后，就合成三电平NPC逆变器的各主控开关的 SPWM开关信号。安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）4图 5 载波反向图 图 6单相 PWM波形图图 5是 SPWM开关信号发生器显示的三角载波发生器和其经过值为-1 的增益后合成的波形，从图中可以看出此 PWM调制方式为载波反向调制方式。图 6是 SPWM开关信号发
10、生器内，三角载波和正弦波经过比较操作符之后得到的各相波形。3.2.2仿真结果与分析仿真参数:直流侧电压Ed=300v，直流侧分压电容C1=C2= 4700e-6；基波频率，载波频率f s=2000Hz。电机参数： =50HzPn=2238VA, ， ,Rs=0.435 380NUV5NfHz, , ，M=69.31mH, J=0.089kg.m 2。2.SLmAT在载波PWM调试和电机负载下，得到仿真波形如图7。(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图图7 基于载波反向SPWM的NPC逆变器输出仿真波形3.3基于载波同向 SPWM带电机负载的仿真模块3.3.
11、1 SPWM开关信号的发生模块安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）5图 8是载波同向的 SPWM开关信号发生电路。其原理与载波反向的 SPWM开关信号发生电路类似，限于篇幅，这里就不在赘述。图 9是载波同相波形。图 8 载波同向的 SPWM开关信号发生电路 图 9 载波同相波形3.3.2仿真结果与分析仿真参数与上述相同。在载波 PWM调试和电机负载下，得到仿真波形如图 10。(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图图 10 基于载波同向 SPWM的 NPC逆变器输出仿真波形3.4基于注入三次谐波的 SPWM带电机负载的仿真模块3.4.1 SFOPWM开关信号
12、的发生模块在正弦调制波中注入三次谐波，能够有效提高调制度，该调制方法称为SFOPWM。图11是SFOPWM开关信号发生电路。图12是正弦波叠加三次谐波之后形成的鞍形波。安徽建筑工业学院优秀毕业设计（论文）6图11 SOFPWM开关信号发生器框图 图12 正弦波叠加三次谐波之后形成的鞍形波3.4.2仿真结果与分析(a)相电压波形 (b)相电压的频谱图（c）线电压波形 (d)线电压的频谱图图 13 SFOPWM输出仿真波形相电压正弦波调制信号中叠加三次谐波，则经过 PWM调制后逆变电路输出的相电压也必然包含三次谐波且三相的三次谐波相位相同，从上面图 13(b)相电压频谱图中可以看出包含三次谐波。但
13、在线电压时，各相电压的三次谐波相互抵消。从线电压频谱分析图可以看出不含三次谐波。利用双边傅立叶分析，可以得出这三种载波方法的各次谐波的值，从而得出他们在谐波消除方面的优劣载波同相层叠方式（PD）的谐波性能最好，尤其是线电压谐波性能，载波反相层叠方式（POD）的谐波性能次之，三次谐波的SPWM调制方式的谐波性能最差。载波同相的相、线电压 THD分别为52.72%、51.09%载波反相的相、线电压 THD分别为 16.78%、16.33%。基于注入三次谐波的 SPWM调制方式相、线电压 THD分别为 73.83%、64.96%。4 三电平 NPC逆变器 SPWM的实验结果安徽建筑工业学院优秀毕业设
14、计（论文）7为进一步证实三电平逆变器 SPWM 的实际效果，实验室以 MOSFET 为主开关器件，TMS320LF2407A DSP 为核心控制芯片，采用 EPM7128E1C8420 FPGA作为驱动信号的外部逻辑分配，构建了三电平 NPC 逆变器实验平台。负载拖动0.75KW 风机，运行频率为 50Hz 进行了实验研究。本文仅对基于载波同向 SPWM调制方式带电机负载的情况进行了实验，实验波形如图 14。(a)相电压波形 (b)线电压波形图 25 三电平 NPC逆变器输出波形由仿真波形和实验波形比较可知：实验结果和仿真结果是基本一致的，说明三电平中点箝位型逆变器 SPWM控制策略在输出频率
15、较低良好的波形质量。5 总结近 年 来 发 展 起 来 的 多 电 平 逆 变 技 术 与 传 统 的 两 电 平 逆 变 器 相 比 ， 在 理 论上 可 实 现 不 增 加 开 关 频 率 的 情 况 下 增 加 系 统 的 容 量 、 耐 压 ， 减 少 逆 变 器 中 功率 开 关 动 作 时 候 的 dv/dt、 di/dt， 降 低 输 出 端 THD 等 优 点 ， 已 经 成 为 大 容量 逆 变 器 的 主 要 拓 扑 方 式 。本文首先简单总结了目前三电平变换器中的拓扑结构，分析和比较了各种拓扑结构的特点。然后介绍了三电平变换器中的各种控制策略，分析和比较了各种控制方法的特
16、点,并详细介绍了载波反向 SPWM和载波同向 SPWM以及基于注入三次谐波 SPWM三种控制策略来实现对二极管箝位型三电平逆变器的控制,最后用 仿真工具 分别对以上三种控制方式下建立模型进行仿matlb6.51simulnk真,并在实验平台上进行了部分实验。参考文献1 王兆安,黄俊.电 力 电 子 技 术 （ 第 四 版 ） M.机 械 工 业 出 版 社 ， 2005.72 宋平岗,官二勇.三电平逆变器 SHE-PWM 的研究J.华东交通大学，2005.103李 传 琦 ,盛 义 发 .邹 其 洪 电 力 电 子 技 术 计 算 机 仿 真 实 验 M.电 子 工 业 出 版 社2006.2
17、4洪 乃 刚 .电 力 电 子 和 电 力 拖 动 控 制 系 统 MATLAB 仿 真 M.机 械 工 业 出 版 社 2006.15李华德.交流调速控制系统M.电子工业出版社.2003.36康华光.模拟电子技术（第四版）M.高等教育出版社.1998.87李永东.大容量多电平变换器 M.科学出版社.2005.98袁登科, 陶桂生.三电平逆变器 PWM方法与比较J.电气应用.2005,24(5)9吴洪洋.三电平逆变器PWM控制技术的研究D.浙江大学博士。200110王 智 .三 电 平 NPC逆 变 器 PWM 控 制 的 研 究 D.合 肥 工 业 大 学 硕 士 论文.2 006.611薄保中.多电平逆变器 PWM控制技术的研究D.西安交通大学博士论文.2002.4
