三相三电平电压型逆变器特性分析

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1、三相三电平电压型逆变器特性分析三相三电平电压型逆变器仿真建模与特性分析黄绍平,杨　青,浣喜明X(湖南工程学院电气与信息工程系,湖南湘潭411101)　　摘　要:利用MATLAB软件中的电力系统模块库(PSB),为三相三电平电压型逆变器建立了仿真模型,对其输出特性进行了仿真分析,并利用快速傅里叶变换(FFT)分析工具对逆变器的输出电压进行了谐波分析.仿真实例表明了此模型和仿真方法的正确性.关键词:三电平逆变器;脉宽调制(PWM);快速傅里叶变换(FFT);谐波;MATLAB中图分类号:TM921　　文献标识码:A　　文章编号:1671-119X(2005)01-0001-

2、040　引　言随着大功率全控型电力电子器件(如GTO、IG2BT、MOSFET、IGCT等)的开发成功和应用技术的不断成熟,近年来电能变换技术出现了突破性进展,各种新型逆变器已开始在各类直流电源、UPS、交流电机变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用,并使得有源电力滤波器(APF)、静止无功发生器(SVG)以及各种灵活交流输电系统(FACTS)和配电系统FACTS(DFACTS)中各种装置的研制成为可能.由于大功率电力电子装置的结构非常复杂,若直接对装置进行试验,代价高且费时费力,故在研制过程中需要借助计算机仿真技术,对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证

3、,以预测并解决问题,缩短研制时间.MATLAB软件具有强大的数值计算功能,方便直观的Simulink建模环境,其PSB(电力系统模块库)中有丰富的各类电气元件模块,尤其是MAT2LAB6.5版的推出,PSB中包括了常用的电力电子器件模型、三相桥电路模型、PWM脉冲发生器模块、FFT(快速傅里叶变换)模块以及各种离散测量与控制算法模块,使复杂电力电子装置的建模与仿真成为可能.本文利用MATLAB/PSB为一个三相三电平PWM(脉宽调制)逆变器建立系统仿真模型,并对其输出特性进行仿真分析.1　三电平电压型逆变器的基本原理图1是一个三电平电压型单相桥逆变器原理电路[1].直流

4、侧为储能电容;VT1～VT4为主功率开关器件GTO;各主功率开关器件旁反并联有续流二极管,为感性负载电流提供反馈能量至直流侧的无功通路;另外,接有中点钳位二极管.中点钳位二极管与续流二极管一起将输出端电位钳至直流电源中点电位.这是一个三电平逆变器电路,通过控制VT1、VT2、VT3、VT4的开通与关断,可以使桥臂中点输出有三个电平,即+E/2、0、-E/2.多电平技术(如三电平、五电平、七电平)就是由使逆变器输出几个电平台阶合成阶梯波,以逼近正弦波输出,这样可以有效地减少输出电压中的谐波含量,改善输出特性,同时降低了功率开关器件的电压定额.图1　三电平电压源型单相桥逆变

5、器原理电路第15卷第1期2005年3月　　　　　　　　　湖南工程学院学报JournalofHunanInstituteofEngineering　　　　　　Vo1.15.No.1Mar.2005X收稿日期:2004-06-04作者简介:黄绍平(1964-),男,教授,研究方向:电力系统无功补偿、电力系统数字仿真.在各种应用中,对逆变器的输出特性有严格要求,除要求频率可变、电压可调外,还要求电压基波尽可能大,谐波含量尽可能小.上述的多电平结构就是改善逆变器输出特性的一种方法.改善逆变器输出特性更有效的方法是采用脉宽调制(PWM)技术.PWM型逆变器是使用自关断器件作高频通

6、断的开关控制,将逆变器的台阶电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出,并通过调制控制消除输出电压的较低次谐波,只剩幅值很小、易于抑制的较高次谐波.PWM有各种调制方法,按照输出电压脉冲宽度变化规律有等脉宽调制和正弦脉宽调制(SPWM).SPWM又有同步调制与异步调制,同步调制是使三角形载波频率随正弦调制波频率成比例变化,在任何输出频率下都保持每半个周期内的输出脉冲数不变.2　三相三电平电压型逆变器建模图2是利用MATLAB/PSB中的各种元件模块所建立的一个三相三电平电压型逆变器的系统仿真模型[2].这一系统由两个结构完全一样的三相三电平电压型PWM逆变器构成.逆变器的输出

7、通过一台三相变压器供电给一个交流负载(1kW,500var,60Hz,208V).变压器的漏抗(8%)和负载电容(500var)可对逆变器输出电压进行滤波,以消除交流电压中的谐波成分.图2中各元件模块的功能与参数设置阐述如下:(1)三相三电平桥本系统使用两个完全相同的三相三电平桥.在PSB中有通用桥模块、三电平桥模块等电力电子电路模块可供使用.三电平桥模块的桥臂数可选为1、2、3,功率开关器件有GTO和IGBT可供选择,图2中选用的是三相桥,器件为GTO.每个桥臂除开关器件外,还有4个与开关器件反并联的续流二极管和两个中点钳位二极管.开关