基于MATLAB的级联型多电平逆变器的仿真研究

论文总字数：13912字

摘 要

近年来，多电平换流器发展迅速，广泛使用于大功率电机驱动、电力系统无功补偿、高压直流输电等领域。本设计选取其中的H桥级联型换流器进行研究。H桥级联型换流器易于扩展，便于模块化设计，具有输出波形谐波畸变率低，du/dt小等优点，是目前中高压电机驱动，配网STATCOM（静止同步补偿器）的主流结构，因此对H桥级联换流器的工作原理进行研究具有较大的实用意义。

本文首先研究了H桥级联型多电平换流器的概念，分析了其研究背景，研究目的和研究的内容和方法，深入分析的如今级联型多电平换流器的适用范围与优缺点，深入分析了级联型多电平换流器的原理，为之后的仿真模拟及系统实验提供了原理依据。

随后，基于MATLAB/Simulink仿真平台，针对H桥级联型多电平换流器进行系统仿真研究，深入研究H桥级联型换流器的输出的波形，对其调制策略进行解析，验证调制策略的合理性，同时分析换流器的输出电压波形，进一步阐明调制策略对于H桥级联型多电平逆变器的有效性。

最后，对单相以及三相的H桥级联型多电平逆变器进行了谐波分析，阐述了当今社会生产中产生谐波的原因和对谐波分析。之后对仿真模型中的波形进行了谐波分析，分析了不同调制度下的谐波，对不同调制度的谐波进行了总结分析。

关键字：多电平逆变器；H桥级联型；换流器

Simulation Research of Cascade Multilevel Inverter Based on MATLAB

Abstract

In recent years, multi-level converters have developed rapidly and are widely used in high-power motor drives, reactive power payment in power systems, and high-voltage DC

transmission. In this design, the H-bridge cascaded converter is selected for research. The

1. bridge cascaded converter is easy to expand, convenient for modular design, and has the

advantages of low output waveform harmonic distortion rate and small du / dt. Structure, so it is of great practical significance to study the working principle of the H-bridge cascaded converter.

This article first studies the concept of H-bridge cascaded multilevel converters, analyzes its research background, research purpose, content and methods, and analyzes the scope of application of today's cascaded multilevel converters. Advantages and disadvantages, the principle of the cascaded multilevel converter is analyzed in depth, which provides a basis for the subsequent simulation and system experiments.

Subsequently, based on the MATLAB / Simulink simulation platform, a system simulation study of the H-bridge cascaded multilevel converter was conducted, and the output waveform of the H-bridge cascaded converter was studied in depth, and its modulation strategy was analyzed to verify the modulation. The effectiveness of the strategy and the analysis of the output waveform of the converter at the same time further clarify the effectiveness of the modulation strategy for the

H-bridge cascaded multilevel inverter.

Finally, the topology of the current multilevel cascade inverters is studied, their layout, advantages, disadvantages and scope are analyzed, and the topology of the multilevel cascade inverters is further studied.

Key words: Multilevel inverter; H-bridge cascade type; converter

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 研究内容与方法 1

第二章 H桥级联型多电平换流器 3

2.1 H桥级联型多电平换流器的概念 3

2.1.1 级联型多电平换流器的概述 3

2.1.2 H桥级联型多电平换流器工作原理 3

2.2 H桥级联型多电平换流器的优缺点 4

2.3 多电平换流器调制算法 4

2.3.1 载波移相PWM 4

2.3.2 载波移位PWM 5

2.4 现阶段H桥级联型多电平换流器的应用范围 7

第三章 基于载波移相PWM的MATLAB仿真研究 8

3.1 仿真软件简介 8

3.2 级联型多电平逆变器仿真 8

3.2.1 单相H桥级联型七电平逆变器仿真模拟 8

3.2.2 三相H桥级联型七电平逆变器仿真模拟 11

第四章 谐波分析 13

4.1 谐波的概述 13

4.1.1 谐波的危害 13

4.1.2 高压大功率变频器的谐波控制标准 13

4.2 仿真模型的谐波分析 13

第五章 总 结 17

致 谢 17

参考文献 19

1. 绪论
   1. 研究背景

随着社会的演变和发展，社会生产的扩大，随之而来的就是对能源的需求也日益增大，如何合理的运用当今有限的能源，是各个国家政府所急需解决的问题。多电平换流器是一种非常合理的解决方式。在电压变换器中，两电平变换器是第一个出现的电压变换器。电压型变换器中，两电平最稳定。但是它具有大的不足之处，逆变器由于受电源开关耐压与功率限制，不能在高压电源情况下的输出。为了解决这个问题，通常直接串联开关，但首先需要解决静态和动态均压开关的问题。在1980年，电力系统直流输电、功率有源滤波、功率补偿和大功率交流电动机调频系统，出现了一个多级变换器。人们对无害环境的逆变器提出了新的看法。经过多年的发展，并且随着社会生产的发展需要，形成了一门独立的新学科。

如今，逆变技术主要目的是将降低了输出电压的谐波含量，并且减少了DU/DT。创建了两个主要的研究方向，第一个是两级技术，即PWM版式，将开关频率提升，得正弦式的输出电压波形。另一种为使用多电平技术，提升主电路的电平数，可以使得du/dt降低和削弱输出电压中的谐波，同时使得开关管运行在低电压低频率的情况下。通过这样，降低了开关损耗和电磁所导致的扰乱。第一方向要求使用高频设备，因为高压的DT/DT增加了逆变器的开关磨损和电磁干扰。从而提高了电路的架设难度。第二种多电平研究方向，虽然多电平技术会增加整体电路中的电平数和元器件数目，但是因为仅仅增加的为低频元器件，成本相对较低，所以多电平技术的优点在于成本和整体的系统性能。

• 1. 研究目的

与传统的两级逆变器相比，多电平逆变器具有以下优点：

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