T型三电平逆变器的Simulink仿真详解
T型三电平逆变器的Simulink仿真详解
T型三电平逆变器是一种在电力电子转换系统中广泛应用的电路拓扑结构。本文将详细介绍其工作原理和Simulink仿真方法，帮助读者深入理解这种电路结构的运行机制。
1. T型三电平拓扑的开关状态
图1展示了一个T字型-三电平电路单相拓扑，这个拓扑在电力电子转换系统中有着广泛的应用。在图中，我们可以看到4个IGBT、4个二极管以及电容组C1和C2。假设正负母线电压均等，都是Vdc。我们将T1、T2、T3、T4的状态分别用1和0来表示，其中1表示开通，0表示关断。
这个拓扑结构可以通过控制IGBT的开关状态来实现对电力系统的稳定运行。在控制过程中，我们需要根据电力系统的需求和硬件条件来选择适当的SPWM调制方法，如单极性或双极性控制方式。通过合理地控制这些开关管的开关时刻，我们可以实现对逆变器输出电压和电流的控制。
图1 T型三电平逆变器拓扑结构
将T1、T2、T3、T4状态组成的二级制数用16进制表示开关状态，如T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0，则将该开关状态的二进制数1100用十六进制数表示为C。
稳定模态有3种：C，6，3；即当T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0时，输出电压为Vdc；即当T1、T2、T3、T4分别为0、1、1、0时，输出电压为0；即当T1、T2、T3、T4分别为0、0、1、1时，输出电压为-Vdc。
考虑死区后，还存在另外两种状态，分别为4，2。则T型三电平逆变器输出电压由Vdc → 0 → - Vdc → 0 →Vdc的切换过程中，T型三电平具有如下图的切换状态，其中死区状态的切换用黄色部分表示，稳态状态用蓝色表示。
图2 T字型-三电平电路状态表
图3 T型三电平状态循环和电流流向
2. T型三电平逆变器的换流过程
2.1. 开关状态为C时(T1、T2、T3、T4分别为1、1、0、0)，开关状态，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.2. 开关状态由C（1100）到开关状态4（0100）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.3. 开关状态由4（0100）到开关状态6（0110）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.4. 开关状态由6（0110）到开关状态2（0010）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示
2.5. 开关状态由2（0010）到开关状态3（0011）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.6. 开关状态由3（0011）到开关状态2（0010）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示
2.7. 开关状态由2（0010）到开关状态6（0110）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.8. 开关状态由6（0110）到开关状态4（0100）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
2.9. 开关状态由4（0100）到开关状态C（1100）的过程中，IGBT的C-E电压与输出电压的关系及电流路径如下图所示：
小结：经过以上对三电平拓扑中每个切换过程的分析，可以得出如下结论：IGBT部分：1）电流朝外流时：T1(C-->4)，T2(6-->2)在关断时会有电压尖峰。2）电流朝内流时：T3(6-->4)，T4(3-->2)在关断时会有电压尖峰。3）T1~T4在关断时产生的电压尖峰，都是基于半个母线电压Vdc。但是由于T1管和T4管的阻断电压高，所以T1管和T4管的关断电压应力风险相对较低；而T2管和T3管是低压管，所以T2管和T3管的关断电压应力相对较大，这点需要特别注意。
二极管部分：1）电流朝外流时：D3，D4有续流。D3(4-->C)，D4(2-->6)反向恢复。2）电流朝内流时：D1，D2有续流。D1(4-->6)，D2(2-->3)反向恢复。3）高阻断电压D1管和D4管在反向恢复时，是基于半个母线电压Vdc，所以产生的峰值功率也相对较小；但是D2管和D3管由于阻断电压较低，在基于半个母线电压Vdc反向恢复时，产生的峰值功率会相对较大，这点需要特别注意。
3. T型三电平拓扑的Simulink仿真
图4 T型三电平仿真结构图
该Simulink模型采用模块封装的方式，主要包含电路部分、控制部分以及波形显示三个部分。这种结构使得模型更加清晰、易于理解和维护。采用闭环控制，对输出电压的平均值进行闭环。这意味着模型可以自动调整其输出，以确保电压的平均值保持在设定的目标值附近，从而提高电力系统的稳定性和可靠性。在模型中，逆变器直流侧电压设定为750V，而输出电压平均值设定为380V。这些参数的选择应根据具体的电力系统需求和硬件条件进行设定。其T型三电平的电路结构如下图所示：
图5 T型三电平逆变器电路拓扑
其中控制器如下图所示，采用模块封装结构，分为输出电压平均值计算模块，PI模块，输出电压指令模块和调制模块。均采用函数编写。
图6 T型三电平逆变器控制器
下图为T型三电平逆变器的调制模块，采用三次谐波注入的SPWM方式等效三电平SVPWM的调制。
图7 T型三电平逆变器调制示意图
下图为T型三电平逆变器simulink模型的仿真结果，分别为滤波器逆变器滤波前线电压波形，滤波后线电压波形和输出电流波形。
图8 T型三电平逆变器输出电流电压仿真波形