发布时间：2026-08-01 02:10:11 人气：
PLECS 应用范例(19): 级联多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter）
PLECS 应用范例(19): 级联多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter）
概述
本演示展示了三相级联多单元逆变器，其中每个单元子模块包含一个全桥。三个独立相支路单元被实现为模块化串联全桥串，每个由隔离直流电源供电。输出电压电平阶跃，以产生2n+1电平（−Vdc和+Vdc），其中n是单元数。较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，因此需要在输出端进行滤波。这提供了组件、成本和性能之间有趣的权衡。
PLECS库包含功率模块块，这些模块对于模块化实现非常有用，便于扩展以在多电平变流器应用中创建多个电压电平，并且具有开关和平均实现。平均配置特别适合高开关频率的实时仿真，例如硬件在环测试。它还可以提高离线模拟的速度，因为内部开关的数量大大减少。
模型
2.1 电源电路（Power circuit）
该电路是一个多电平电压源逆变器（VSI），具有三个支路，每相一个，每个支路包含一个带有IGBT和反并联二极管的H桥布置。每座全桥可生产−Vdc，0 V，+Vdc，取决于开关方案。通过串联多个全桥，每个相位的总输出电压是所有全桥单元输出的总和，可以生成多电平PWM输出电压波形。由于H桥本质上是一个包括0 V状态的三电平逆变器，因此串联添加的每个单元提供具有两个附加电压电平的逆变器输出波形。
在这种情况下，使用IGBT全桥功率模块组件。该块有两种配置：一种是开关配置，其中理想开关代表半导体；另一种是平均配置，使用受控电压和电流源。功率模块还具有串联逆变器单元数量的参数设置。电源模块和控制器的实现使得可以在顶层配置电池的数量，而无需使用额外的布线或组件扩展模型。
每个全桥由理想直流电压源供电，该值等于总直流母线电压除以每相级联单元的数量。这些模块充电到相同的电压，但实际上，如果用电容器代替电压源而不使用额外供应，当模块平衡时，系统具有很强的可扩展性。三相星形连接RL负载有助于降低电流输出纹波。
栅极的输出频率为50 Hz，由调制器的参考波形指定。电流幅值由负载决定，电压波形的谐波含量受每个逆变器支路串联单元数量的影响。
2.2 控制
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，每个相移180°/n（其中180°指的是开关周期，而不是输出端的相移）。将所有载波与两个正弦参考波形进行比较，两个正弦参考波形分别对应于全桥的每个支路，并且相移180°彼此之间。低压侧开关选通信号与高压侧开关的信号互补，因此直流母线不会短路。可配置的停滞时间也可以延迟每个支路中开关对之间的开关转换。
仿真
使用提供的模型运行模拟以查看信号。观察输出电压为±600 V范围内的阶跃电压，阶跃数为2n（n=电池数量），加上0 V时的额外电平。打开PLECS范围内的光标，并将增量时间宽度设置为电网频率的基本周期（50 Hz=0.02秒）。然后查看输出电压波形的总谐波失真（THD）。通过使用模型初始化命令窗口中的ncells变量增加串联单元的数量，您将注意到电压波形的THD降低。串联的电池数量必须为6个或更多，以将THD含量减少到例如10%左右。
示波器的第二个图使用滤波器块获得调制输出交流电压波形的移动平均值。通过选择开关周期的平均周期（0.1 ms），我们可以滤除高频调制并看到600 VAC波形。无论串联模块的数量如何，该平均值都是恒定的。
现在，将模型初始化命令窗口中的停滞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这种消隐时间的影响是，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。使用示波器观察电压信号的总谐波失真度和均方根值的差异，有无该过渡延迟。
最后，将串联单元的数量增加到8个，并运行新的模拟。模拟现在需要更长的时间才能完成，因为当开关以更高的频率调制以产生更多的输出电压电平时，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。这将使模拟速度提高两倍以上，同时获得与开关配置完全相同的波形。如果进一步增加串联单元的数量，则使用平均配置的速度增加的效果会更加明显。平均实现正确地解释了死区时间，因此仍然可以研究这种影响。注意，使用平均配置可能需要额外考虑，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。
以下是仿真模型顶层示意图：
结论
在PLECS组件库的功率模块中使用隐式矢量化概念可以轻松实现多级拓扑，例如三相系统中的级联全桥。这样，只需要一个基本的全桥单元就可以对具有可变单元数的模块化结构进行建模。功率模块的另一个优点是集成的子循环平均实现，允许在不改变模型结构的情况下研究控制器设计的平均变流器操作。
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