《MATLAB与电力电子系统仿真》-第4章

4.1单相逆变电路4.1.1方波调制方式工作原理图4-1单相全桥电压源型逆变电路带阻感负载时的拓扑及理论波形(方波调制)1)t=t1时，V1和V4导通，负载电流正向增大，负载电压uo=Ud。2)t=t2时刻，V1和V4关断，开通V2和V3，但因为此时负载电流无法换向，因此V2和V3不能开通而由VD2和VD3续流，负载电流正向减小，负载电压uo=-Ud。3)t=t3时刻，负载电流正向减小至零，VD2和VD3自然关断，此时V2和V3导通，负载电流反向增大，负载电压uo=-Ud。4)t=t4时刻，V2和V3关断，开通V1和V4，但同样因为负载电流无法换向，因此V1和V4无法开通而由VD1和VD3续流，负载电流反向减小，负载电压uo=Ud。5)在负载电流反向减小至零时，VD1和VD3自然关断，此时V1和V4导通，重复上述过程。4.1单相逆变电路4.1.1方波调制方式仿真分析图4-2单相全桥电压源型逆变电路带阻感负载时的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，期望输出的交流电压基波频率为50Hz，交流侧负载电阻R=1Ω、电感L=1mH(1)触发脉冲设置V1和V4的触发脉冲设置V2和V3的触发脉冲设置4.1单相逆变电路4.1.1方波调制方式仿真分析图4-2单相全桥电压源型逆变电路带阻感负载时的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，期望输出的交流电压基波频率为50Hz，交流侧负载电阻R=1Ω、电感L=1mH(2)测量模块设置THD模块参数的设置Fourier模块参数设置RMS模块参数设置4.1单相逆变电路4.1.1方波调制方式仿真分析图4-5单相全桥电压源型逆变电路带阻感负载时的输出电压电流波形4.1单相逆变电路4.1.2移相调压方式工作原理图4-6单相全桥电压源型逆变电路移相调压时的触发脉冲及输出电压电流波形1)t1时刻之前，uG1和uG4为正，V1和V4导通，负载电流正向增大，负载电压uo=Ud。2)t1时刻，uG4由正变负、uG3由负变正，V4关断，但由于负载电流无法换向，因而V3无法导通，V1和VD3续流，负载电流正向减小，负载电压uo=0。3)考虑电感L足够大时，在t=t2时刻，负载电流尚未正向衰减至零；此时uG1由正变负、uG2由负变正，V1关断，同样由于负载电流无法换向，因此V2无法导通，电路中VD2和VD3续流，负载电流进一步正向减小，负载电压uo=-Ud。4)当负载电流正向减小至零时，VD2和VD3自动关断，V2和V3导通，负载电流反向增加，负载电压uo=-Ud。5)在t=t3时刻，

uG3由正变负、uG4由负变正，V3关断，由于负载电流无法换向，因此V4无法导通，电路中V2和VD4续流，负载电流反向减小，负载电压uo=0。6)当下一时刻，uG2由正变负、uG1由负变正时，V2关断，V1暂无法导通，因为VD1和VD4续流，负载电流进一步反向减小，负载电压uo=Ud；当负载电流反向减小至零时，又切换到V1和V4导通，开始新的循环。4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路工作原理图4-7单相全桥SPWM逆变电路的拓扑结构(1)在调制波ur的正半周，V1管保持导通、V2管保持关断，通过调制波和载波的交点控制V4的通断。当ur>uc时，V4导通，负载电压uo=Ud；当ur<uc时，V4关断，负载电压uo=0，V1和VD3续流。(2)在调制波ur的负半周，V2管保持导通、V1管保持关断，通过调制波和载波的交点控制V3的通断。当ur<uc时，V3导通，负载电压uo=-Ud；当ur>uc时，V3关断，负载电压uo=0，V2和VD4续流。图4-8单极性SPWM原理图4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路工作原理图4-7单相全桥SPWM逆变电路的拓扑结构图4-9双极性SPWM原理图双极性调制时，不再区分调制波ur的正负半周，而是当ur>uc时，V1和V4导通，负载电压uo=Ud；当ur<uc时，V1和V4关断，V2和V3暂无法导通、VD2和VD3续流，负载电压uo=-Ud，当续流完成后V2和V3导通，负载电压还是uo=-Ud。4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路仿真分析-双极性调制图4-10单相全桥双极性SPWM逆变电路的仿真模型图4-11双极性SPWM仿真模块直流侧输入电压Ud=300V，单相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为2、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)，交流侧负载电阻R=1Ω、电感L=1mH(1)调制波ur的生成：采用一个时钟模块提供时间t，经过2*pi*f增益和sin模块后生成，ur=m*sin(2*pi*f*t)，其中f为载波频率、m为调制度(0<m≤1)，可通过ModelProperties中的初始化InitFcn中设置，如图4-12所示，仿真中设置f=50Hz、m=0.8。图4-12参数初始化设置4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路仿真分析-双极性调制图4-10单相全桥双极性SPWM逆变电路的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，单相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为2、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)，交流侧负载电阻R=1Ω、电感L=1mH图4-13载波生成模块及其参数配置对话框(2)载波uc的生成：采用连续序列模块(RepeatingSequence)生成，具体设置如图4-13所示。因采用双极性调节，uc为正负变化的等腰三角波，同时uc的周期对应的是器件通断频率、即开关频率。仿真中设置的uc为周期fc、幅值为±1的等腰三角形(需要注意的是，uc和ur的幅值要相互对应，例如本仿真中都采用了标幺处理)。4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路仿真分析-双极性调制图4-10单相全桥双极性SPWM逆变电路的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，单相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为2、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)，交流侧负载电阻R=1Ω、电感L=1mH图4-14f=50Hz及fc=1000Hz时的双极性SPWM波形(3)比较及脉冲生成环节：采用逻辑运算环节比较调制波ur和uc的大小，并将比较结果转换成布尔型，再通过取反运算得到V1~V4四路脉冲信号。4.1单相逆变电路4.1.3单相桥式SPWM逆变电路仿真分析-双极性调制图4-15f=50Hz及fc=1000Hz时的负载电压电流波形图4-16f=50Hz及fc=5000Hz时的负载电压电流波形4.2三相逆变电路4.2.1三相桥式SPWM逆变电路工作原理图4-17三相全桥SPWM逆变电路的拓扑结构图4-18三相全桥SPWM逆变电路的理论波形1)三相的控制方式类似，以U相为例，在urU>uc时，上桥臂V1导通、下桥臂V4关断，U相输出电压相对直流电源Ud的中性点N’为uUN'=Ud/2。2)在uRu<uc时，上桥臂V1关断、下桥臂V1开通，U相输出电压相对直流电源Ud的中性点N’为uUN'=-Ud/2。3)V1和V4始终互补，上述V1或V4导通有可能是对应IGBT导通，也有可能是对应二极管导通，但是不影响输出电压。4.2三相逆变电路4.2.1三相桥式SPWM逆变电路仿真分析图4-19三相全桥SPWM逆变电路的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，三相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为3、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)，三相对称交流负载电阻R=1Ω、电感L=1mH图4-20三相全桥SPWM脉冲生成模块及参数配置对话框4.2三相逆变电路4.2.1三相桥式SPWM逆变电路仿真分析图4-21f=50Hz及fc=1000Hz时的三相全桥SPWM仿真波形图4-22f=50Hz及fc=5000Hz时的三相全桥SPWM仿真波形4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术工作原理图4-23滞环电流PWM跟踪控制逆变的原理图及理论波形

通过电流传感器检测实际电流信号i，与正弦指令信号i*进行比较，两者偏差作为滞环比较器的输入，滞环比较器的输出控制V1或V2的通断。当V1或VD1导通时，实际负载电流i增大；当V2或VD2导通时，实际负载电流i减小。这样通过环宽为2∆I的滞环比较器的控制，负载电流被限制在i*+∆I和i*-∆I的范围内。4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术仿真分析图4-24滞环电流PWM跟踪控制逆变的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，三相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为3、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)图4-25三相滞环电流PWM跟踪控制部分模型4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术仿真分析图4-24滞环电流PWM跟踪控制逆变的仿真模型直流侧输入电压Ud=300V，三相全桥逆变电路采用通用桥模块(设置桥臂数目为3、电力电子器件选用带二极管的IGBT模块即IGBT/Diodes)图4-26滞环比较器模块及其参数配置对话框4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术仿真分析图4-27∆I为0.01、负载电感为100mH时的仿真波形4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术仿真分析图4-28∆I为0.1、负载电感为100mH时的仿真波形4.2三相逆变电路4.2.2PWM跟踪控制技术仿真分析图4-29∆I为0.01或0.1、负载电感为10mH时的仿真波形∆I为0.01、负载电感为10mH∆I为0.1、负载电感为10mH4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术工作原理图4-30六拍控制时的输出合成电压矢量图4-17三相全桥SPWM逆变电路的拓扑结构当采用180°导通方式时，逆变电路共有8种工作状态。假设状态“1”表示每相桥臂的上管导通、“0”表示每相桥臂的下管导通，8种状态对应的工作状态及各相输出电压、输出合成电压如表4-1所示，表中u1~u6为有效工作状态、u0和u7因输出合成电压为零而被称为是零矢量。一般将上述6个有效工作状态交替工作60°的控制方式称为六拍控制，对应的合成电压空间矢量则如图4-30所示。4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术工作原理表4-1180°导通方式时的工作状态、各相输出电压及合成电压图4-17三相全桥SPWM逆变电路的拓扑结构当采用180°导通方式时，逆变电路共有8种工作状态。假设状态“1”表示每相桥臂的上管导通、“0”表示每相桥臂的下管导通，8种状态对应的工作状态及各相输出电压、输出合成电压如表4-1所示，表中u1~u6为有效工作状态、u0和u7因输出合成电压为零而被称为是零矢量。4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术工作原理

当六拍控制时，输出合成电压矢量为一正六边形，对于交流电动机来说，若忽略电动机定子电阻压降，则定子合成电压矢量与磁链空间矢量之间存在如下近似关系即当逆变器采用六拍控制时，输出合成电压矢量为正六边形、磁链轨迹也近似是正六边形，无法达到圆形磁链轨迹要求。要想获得接近圆形的磁链轨迹，可将图4-30所示的正六边形进行N等分，以6个有效矢量作为基本矢量，按照平行四边形合成法则，进行期望输出矢量合成，从而形成正多边形、甚至接近圆形磁链轨迹。在实际应用中，6个有效工作矢量将电压矢量空间分为对称的六个扇区，当期望输出电压矢量位于某一扇区时，可选择与期望电压矢量相邻的2个有效工作矢量进行合成，2个零矢量的插入可有效减少开关切换次数。图4-30六拍控制时的输出合成电压矢量4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术SVPWM实现图4-31两电平SVPWM的空间矢量图SVPWM的实现可分为以下三个步骤：(1)判断期望电压矢量所在扇区，选择基本矢量；(2)确定每个基本矢量作用的时间；(3)确定每个基本矢量的作用顺序，即SVPWM实现。(1)扇区的判断将期望电压矢量u分解至两相静止坐标系下，通过判断uα和uβ进行扇区判断，具体判断依据如下扇区N=A+2B+4C，N的取值与具体扇区分布图4-32扇区判断仿真模型4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术SVPWM实现(2)基本矢量作用时间图4-33基本矢量作用时间仿真模型判断好期望电压矢量所处扇区后，需要选定基本矢量、并确定基本矢量作用时间。由数学知识推导可知，无论期望电压矢量在哪一个扇区，基本矢量作用时间都有共性部分。定义时间变量X、Y、Z分别为(其中T为器件开关周期)当T1+T2>T时，意味着出现了过调制情况，需要进行额外处理4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术SVPWM实现(3)SVPWM实现(七段式)图4-35脉冲生成时间的仿真模型三相对应的脉冲生成时间可表述为为使每次开关切换次数尽量少，在SVPWM实现过程中可插入零矢量进行调节。七段式采用的是零矢量分散的实现方式，假设2个零矢量的工作时间分别为T0和T7，在七段式SVPWM中，令T0=T7=(T-T1-T2)/2，七段式SVPWM实现如图4-34所示。图4-34七段式SVPWM

不同扇区内，脉冲生成时间与扇区号的对应关系为4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术仿真分析图4-36三相全桥SVPWM逆变电路的仿真模型直流侧电压600V，器件开关频率5kHz，负载电阻10Ω、电感为15mH，期望电压通过给定uα和uβ方式给出，调制度为0.8，系统采样时间Ts为1×10-6s。图4-37期望电压给定设置4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术仿真分析图4-36三相全桥SVPWM逆变电路的仿真模型直流侧电压600V，器件开关频率5kHz，负载电阻10Ω、电感为15mH，期望电压通过给定uα和uβ方式给出，调制度为0.8，系统采样时间Ts为1×10-6s。图4-37期望电压给定设置4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术仿真分析图4-38三相脉冲生成时间马鞍波图4-39三角载波设置图4-40三相PWM脉冲波形4.2三相逆变电路4.2.3SVPWM控制技术仿真分析图4-41交流侧电流波形图4-42两电平SVPWM逆变器输出线电压、相电压波形4.3多电平逆变电路

随着高压、大电流功率电力电子器件的快速发展，传统的两电平逆变器输出的电压等级和容量不断提高，然而受器件耐压等级和功率的限制，不能满足高压大功率的要求。另一方面两电平逆变器因为输出相电压只有两个电平状态，电压波形的谐波含量较高，电磁干扰较严重。

多电平逆变电路的出现弥补了两电平逆变器的不足，多电平逆变器具有开关器件电压应力小、输出电压谐波含量低等优点；而且，采用多电平技术可以降低开关器件在开关过程中的du/dt和di/dt，从而改善逆变器的电磁兼容性，在高电压逆变器领域有着广泛的应用前景。多电平逆变器主要有4类拓扑结构：二极管钳位型逆变器、电容钳位型逆变器、具有独立直流电源的级联型逆变器以及模块化多电平逆变器。4.3多电平逆变电路4.3.1二极管箝位型三电平逆变器工作原理图4-44二极管箝位型三电平逆变电路的拓扑结构图4-45二极管箝位型三电平逆变器的空间矢量分布图定义三电平逆变器第i相的开关函数Si(i=a,b,c)为这样，三电平逆变器共有33=27组输出开关状态，某一组开关状态就对应一条空间矢量，经过推导，27个电压矢量可分为3个零矢量、12个冗余短矢量、6个中矢量以及6个长矢量，矢量分布如图4-45所示。4.3多电平逆变电路4.3.1二极管箝位型三电平逆变器工作原理图4-45二极管箝位型三电平逆变器的空间矢量分布图三电平SVPWM的实现，它是由两电平SVPWM方法推广而来的。图4-45所示的三电平空间矢量图可分为6个大扇区，每个大扇区又可分为4个三角形小区，则共有24个小三角形。由此可列出一系列不等式组，通过参考矢量的幅值和角度判断出所处的扇区和小区。具体的三电平SVPWM实现步骤如下：1)确定参考电压矢量Vref；2)判断参考电压矢量Vref所处大扇区和小扇区；3)找出合成参考矢量的几个基本电压矢量并确定其作用顺序；4)计算基本电压矢量相对应的作用时间；5)将矢量映射为开关状态。4.3多电平逆变电路4.3.1二极管箝位型三电平逆变器工作原理图4-46参考电压矢量Vref落在扇区1的三角形小区III中由于三电平电压矢量具有对称性，以参考电压矢量Vref落在扇区1的三角形小区III中进行分析，如图4-46所示。Vref可由矢量Va0、Va和Vb合成，故有其中，Ta0、Ta、Tb分别为矢量Va0、Va和Vb的作用时间，T为开关周期，通过数学关系可求解得参考矢量位于其他扇区时各矢量的作用时间也可用相同的方法推导，然后可以参考两电平SVPWM方法进行矢量顺序确定、开关状态映射等。4.3多电平逆变电路4.3.1二极管箝位型三电平逆变器仿真模型图4-48二极管箝位型三电平SVPWM逆变电路的仿真模型4.3多电平逆变电路4.3.2H/NPC五电平逆变器工作原理

多电平变换技术利用低耐压开关器件，提高输出电压等级和减小输出电压谐波。半桥型钳位式拓扑需要大量的钳位二极管或电容，需克服直流侧电容电压不平衡的难点，当电平数大于三时，控制将变得更加复杂。2H桥级联式多电平逆变器虽具有控制方法简单、易扩展等优点，但需要的独立直流电源个数多。H/NPC多电平可以克服钳位二极管或钳位电容多、直流侧电容电压控制困难和需要独立电源个数多的缺点，适用于中、高压大功率应用场合。对于二极管钳位型五电平逆变器，H/NPC五电平逆变器需要相同的主开关器件，减少了钳位二极管的个数，增加了独立电源的个数，中点电压易于控制和实现，无二极管钳位型五电平逆变器中点电压不易控制的难题。同时，三电平NPC相关技术已经成熟，易于向H/NPC五电平逆变器扩展，易于模块化，易于级联向更高电平拓展。相对于两电平H桥级联五电平逆变器，H/NPC五电平逆变器减少了独立直流电源的个数，每相只需一个直流电源。4.3多电平逆变电路4.3.2H/NPC五电平逆变器工作原理图4-50H/NPC五电平逆变器三相拓扑结构每相由独立电源供电，即直流母线电压Vdc=2E，本文由串联型12脉波整流器供电。每相由两个三电平半桥并联组成三电平H桥，每个三电平半桥可以输出-E、0、+E三个电平，两个三电平半桥输出电压叠加可以输出-2E、-E、0、+E、+2E五个电平。以A相为例，H/NPC五电平由两个三电平半桥Sa1和Sa2并联构成。设Vdc=2E，A相输出状态为Sa，两个三电平半桥输出开关状态为Sa1和Sa2，则三电平H桥输出开关状态Sa=Sa2-Sa1+2。H/NPC五电平逆变器开关状态和电路状态的关系如表4-5所示。其中Sa=0、1、2、3、4分别表示相电压为-2E、-E、0、+E、+2E，电路状态1表示开关器件导通，0表示关断。4.3多电平逆变电路4.3.2H/NPC五电平逆变器仿真设计图4-51五电平载波层叠法

根据H/NPC多电平逆变器的工作原理和结构特点，介绍基本的载波层叠脉宽调制。

三角载波层叠PWM调制策略，对于N电平逆变器来说，每相采用一个幅值为Am和频率为fm的正弦调制波us与N-1个幅值Ac和频率fc相同的三角载波进行比较产生PWM脉冲波。载波层叠调制策略从三角载波相位的不同分为载波同相层叠法和载波反相层叠法。载波同相层叠法所有三角载波相位相同，载波反相层叠法以零基准线为对称轴，基准线以上和以下的三角载波具有相反的相位。如图4-51所示为五电平载波层叠法，(a)为载波同相层叠法，(b)为载波反相层叠法。(a)为载波同相层叠法(b)为载波反相层叠法4.3多电平逆变电路4.3.2H/NPC五电平逆变器仿真设计图4-52H/NPC五电平逆变电路的仿真模型4.3多电平逆变电路4.3.2H/NPC五电平逆变器仿真设计图4-53载波层叠调制fc=5kHz的仿真结果4.3多电平逆变电路4.3.3MMC五电平逆变电路工作原理图4-54MMC的主电路拓扑