电力电子学大作业
题
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目：串联H桥多电平控制逆变器
学 院： 电气与电子工程学院
专 业： 电力电子与电力传动
学生姓名：
授课教师：
2011年6 月7日
串联H桥多电平控制逆变器
摘要：串联H桥多电平控制逆变器由多个单相H桥逆变器组成，它由每个功率单元的交流输出串联连接实现。本文对两种基于三角波的PWW控制
方法
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——移相调制法和移幅调制法的实现做具体研究，并通过Matlab/Simulink得到仿真结果。
关键词：H桥、多电平、串联、逆变器
串联H桥多电平逆变器是中压大功率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一。它由多个单相H桥逆变器组成，并把每个交流单元的输出串联以实现中压输出，这样可以减小输出电压的纹波。
这种逆变器的每个功率单元需要由独立的直流电源供电。比较典型的供电源是多脉波二极管整流器输出的直流电源。本文研究的是7电平的逆变器，在实际应用中它可由18脉波的二极管整流器供电，因这样的二极管整流器具有线电流THD小和输入PF高等特点。鉴于本文的重点是串联H桥多电平的控制的实现，因此直流电源部分直接用了固定的直流电压，且对H桥的结构没有做过多的介绍。
如前所述，本文的重点是串联H桥多电平控制的实现。实现该控制有两种方法：移相调制法和移幅调制法。这两种方法都是基于三角波的PWM调制方法。本文对这两种方法做了具体而深入的研究，并通过仿真得到结果。
1.H桥逆变器
1.1 单相H桥逆变器结构
如图1所示为H桥逆变器的简化电路图。它包括两个桥臂，每个桥臂由两个IGBT串联组成。逆变器直流母线电压固定不变，输出的交流电压可通过PWM方法进行调制，即双极性调制法和单极性调制法。本文中采用单极性调制法。
图1 H桥逆变器电路图
当S1和S4导通时，H桥输出的电平为Vd；当S2和S3导通时，H桥输出的电平为-Vd。
1.2 三相串联H桥7电平逆变器
图2 7电平串联H桥逆变器
串联H桥逆变器采用多个由直流电源分别供电的H桥模块构成，各模块的输出串联连接输出交流电压。如图2所示为电平串联H桥逆变器，其中每个子系统代
表
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一个H桥模块，每相由三个H桥模块串联而成。每个H桥模块内部除了包含一个H桥外还含有其控制信号实现模块，如图3所示。
根据每相中每个H桥的不同导通情况，逆变器的每相可输出7个不同电平的相电压，且每相的输出电压为该相三个H桥输出电压之和。
图3 H桥模块内部结构
2.仿真结果
已知变流器额定输出电压（基波线电压有效值
）为2300V ，额定输出功率为2MVA，额定频率为60Hz，阻感负载功率因数为0.9，常量和纹波任意，直流输入待定。
（1）负载的计算
额定输出功率
与输出电流和负载之间有如下关系：
式中，PF为负载功率因素，
为相电流，
为相电压，且
。因此代入数据解得：
（2）直流输入电压的计算
当
时，基波电压电压幅值与输入电压的关系为：
式中，
为电平数，
。由此可计算得
。
2.1 移相调制法
一般说来，7电平的逆变器调制需要6个三角载波。移相载波调制法中，所有三角载波均具有相同的频率和幅值，但是任意两个相邻载波的相位要有60°的相移。这意味着每相的三个H桥的S1的三角载波频率和幅值相同，但依次滞后60°；S3的三角载波频率和幅值与S1的相同，但滞后S2三角载波180°。而S2与S1互补导通，S3与S4互补导通。且A、B、C三相中对应H桥的三角载波频率、幅值和相位都相同，但B相的调制波滞后A相的120°，C相的调制波滞后A相的240°。
根据幅值调制因数的定义：
式中，
为基波电压幅值，
为载波幅值。因此
当时，解得：
图4
和
时，A相各H桥输出电压
图5
和
时，A相相电压和A、B之间的线电压
因此，当调制波频率为60Hz，三角载波频率为720Hz时，可得A相的仿真结果如图4所示，从上到下依次为电桥H1、H2和H3的输出电压。图5所示为A相的相电压和A、B两相的线电压。
2.2 移幅调制法
与移相调制法类似，移幅调制法也需要6个幅值和频率完全相同的三角载波。所有载波垂直排列，频率因数与移相调制法的相同，为载波频率与调制波频率的比值。但移幅调制法中的幅值调制因数与移相调制法中的定义不同，当
时为
式中，
为基波电压幅值，
为载波幅值。因此
当时，解得：
与移相调制法不同的是，当采用同相层叠移幅调制法时，A相的三个H桥H1、H2和H3的S1控制信号的调制波依次上移了5个、3个、1个调制波幅值；而其S3控制信号的调制波依次下移了5个、3个、1个调制波幅值。B相和C相的H桥各载波信号相同，所不同的是B相的调制信号滞后A相的120°，C相的调制信号滞后A相的240°。
图6
和
时，A相各H桥输出电压
图7
和
时，A相相电压和A、B之间的线电压
因此当调制波频率为60Hz，三角载波频率为4320Hz时，可得A相各H桥的输出电压，如图6所示，从上到下依次为H1、H2和H3。图7所示为移幅调制法输出的A相相电压和A、B之间的线电压。
3. 结论
多电平逆变器中，移相调制法和移幅调制法都可以应用到串联H桥逆变器的控制当中去。且两种方法各有千秋。
图8 移相调制法THD
图9 移幅调制法THD
采用移相调制法时，各H桥中开关器件的开关频率和导通时间都相同，器件开关方式不需要循环，其逆变器的等效开关频率为器件开关频率的6倍。移幅调制法中，各H桥中不同开关器件的开关频率和导通时间不相同，为了使所有单元中的功率器件开关频率和导通时间平均分配，各单元的开关方式应该采用一定的循环方法。且移幅调制法中，逆变器等效的开关频率与载波频率相同。根据给出的数据可知，此处两方法中逆变器等效的开关频率是相同的。
图8和图9分别是移相和移幅调制法线电压FFT
分析
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所得的THD，比较可知后者输出线电压的THD更好。
仔细观测两图还可发现，两种方法的输出中都存在零次谐波，且移相调制法的比移幅调制法的谐波更高。这个谐波是由系统中的共模电压造成的。
附图一：移相调制法的系统图
附图二：移幅调制法的系统图
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