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PLECS 应用范例（18）：级联多电平逆变器:（Cascaded ...

2023-4-14 13:01| 发布者: 挖安琥| 查看: 96| 评论: 0

摘要: 1概述此演示演示了一个三相级联多单元逆变器，其中每个单元子模块都包含一个全桥。三个单独的相支路单元被实现为一个模块化的串联全桥串，每个全桥由一个隔离的直流电源供电。输出电压电平是阶梯式的，以产生介于Vdc ...

1概述

此演示演示了一个三相级联多单元逆变器，其中每个单元子模块都包含一个全桥。三个单独的相支路单元被实现为一个模块化的串联全桥串，每个全桥由一个隔离的直流电源供电。输出电压电平是阶梯式的，以产生介于Vdc和+Vdc之间的2n+1电平，其中n是单元的数量。更高数量的串联单元使逆变器硬件及其控制设计复杂化，但可以显著减少谐波失真，从而减少对输出滤波的需要。这在组件、成本和性能之间进行了有趣的权衡。

PLECS库包含功率模块块，这些模块块对于模块化实现非常有用，可以轻松缩放以在多电平转换器应用中创建多个电压电平，并且具有切换和平均实现。平均配置特别适用于具有高开关频率的实时模拟，例如硬件在环测试。它还可以提高离线模拟的速度，因为内部交换机的数量大大减少了。

注意：此模型包含可从以下位置访问的模型初始化命令：

PLECS Standalone: The menu Simulation + Simulation Parameters... + Initializations

PLECS Blockset: Right click in the Simulink model window + Model Properties + Callbacks + InitFcn*

图1：模型的顶层示意图

2 Model

2.1 电源电路（Power circuit）

该电路是一个多电平电压源逆变器（VSI），有三个支路，每相一个，每个支路包含一个带IGBT和反并联二极管的H桥装置。根据开关方案，每个全桥的输出可以产生Vdc、0 V、+Vdc。通过串联级联多个全桥，每个相的总输出电压是所有全桥单元的输出之和，并且可以生成多级PWM输出电压波形。由于H桥本质上是一个包括0V状态的三电平逆变器，因此串联添加的每个单元都为逆变器输出波形提供两个额外的电压电平。

在这种情况下，使用IGBT全桥功率模块组件。该块有两种配置：一种是理想开关代表半导体的开关配置，另一种是使用受控电压和电流源的平均配置。功率模块还具有用于串联连接的逆变器单元的数量的参数设置。电源模块和控制器的实现方式使得电池的数量可以在顶层配置，而不必用额外的布线或组件来扩展模型。

每个全桥由理想的直流电压源供电，该值等于总直流总线电压除以每相级联单元的数量。这些模块被充电到相同的电压，但实际上，如果在没有额外电源的情况下用电容器代替电压源，它们也可能是不平衡的。然而，当模块平衡时，系统是非常可扩展的。三相Y形连接RL负载有助于减少电流输出纹波。

电网的输出频率为50Hz，由调制器的参考波形指定。电流的振幅由负载决定，电压波形的谐波含量受每个逆变器支路的串联单元数量的影响。

2.2 控制（Control）

级联多电平逆变器最常见的调制方案使用相移载波脉宽调制（PSCPWM）。PSCPWM是一种多载波调制策略，其中每个串联连接的单元有一个三角形载波，每个载波相移180/n、其中180 指的是开关周期，而不是在输出端看到的相移。将所有载波与两个正弦参考波形进行比较，全桥的每个支路一个，并且这些载波被相移180 彼此之间。低侧开关选通信号与高侧开关的选通信号互补，因此DC总线不会短路。可配置的死区时间也可以延迟每个支路中的开关对之间的开关转换。

通过该方案，所有模块共享用于对输出处看到的所有电压电平作出贡献的工作负载。正如预期的那样，通过增加每相中级联单元的数量产生的电压电平越多，输出电压阶跃波形就越像正弦曲线，并且谐波含量就越少。

3 Simulation

使用所提供的模型运行模拟以查看信号。观察输出电压为±600 V范围内的步进电压，步进数为2n（n=单元数），加上0 V时的附加电平。打开PLECS范围内的光标，并将Δ时间宽度设置为电网频率的基本周期（50 Hz=0.02 s）。然后查看输出电压波形的总谐波失真（THD）。通过在模型初始化命令窗口中使用ncells变量增加串联的级联单元的数量，您会注意到电压波形的THD降低了。例如，串联的电池数量必须为六个或更多，才能将THD含量降低到≈10%。

示波器的第二幅图使用滤波器块来获取调制输出AC电压波形的移动平均值。通过选择开关周期的平均周期（0.1ms），我们可以滤除高频调制并看到600VAC波形。无论串联模块的数量如何，该平均值都将是恒定的。

现在，将模型初始化命令窗口中的死区时间值更改为切换周期的1%（0.01/fsw），并运行新的模拟。每个支路中开关转换之间的消隐时间的影响是，与没有任何死区时间的操作相比，输出处的失真增加，平均电压降低。使用示波器观察有无此转换延迟时电压信号的THD和RMS的差异。

最后，将串联电池的数量增加到8个，并运行新的模拟。模拟现在需要更长的时间才能完成，因为随着开关以更高的频率进行调制以产生更高数量的输出电压电平，会发生更多的开关事件。通过在模型初始化命令窗口中将conf更改为2，将电源模块配置更改为平均实现，然后再次运行模拟。这将模拟速度提高了两倍以上，同时实现了与切换配置完全相同的波形。如果进一步增加串联电池的数量，使用平均配置的速度增加的效果会变得更加明显。平均实现正确地说明了死区时间，因此这种影响依旧可以研究。注意，使用平均配置可能需要额外的考虑，例如电池之间的电流隔离，以及控制信号是逻辑值还是占空比值。有关详细信息，请参阅块的文档。