基于开关电容器的级联多电平逆变器，使用布尔PWM控制技术研究附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

随着电力电子技术的不断发展，对逆变器性能的要求日益提高。本文聚焦于基于开关电容器的级联多电平逆变器（SC - CMLI），并深入研究布尔脉冲宽度调制（Boolean PWM）控制技术在其中的应用。详细阐述了 SC - CMLI 的拓扑结构、工作原理以及 Boolean PWM 控制技术的实现机制，通过理论分析和仿真实验，验证了该组合在降低谐波含量、提高电能质量和系统效率等方面的显著优势，为其在可再生能源发电、工业驱动等领域的广泛应用提供了理论依据和技术支持。

关键词：开关电容器；级联多电平逆变器；布尔 PWM 控制技术；谐波；电能质量

一、引言

在现代电力系统中，逆变器作为实现直流到交流电能转换的关键设备，其性能优劣直接影响到电力系统的稳定性、电能质量以及能源利用效率。传统的两电平逆变器在高电压、大功率应用场景中存在诸多局限性，如输出电压谐波含量高、电磁干扰大、开关损耗严重等问题。多电平逆变器的出现有效缓解了这些问题，其中基于开关电容器的级联多电平逆变器（SC - CMLI）凭借其独特的拓扑结构和工作特性，近年来受到了广泛关注。

SC - CMLI 通过开关电容器的充放电过程实现电压的调节和多电平输出，相较于传统的多电平逆变器拓扑，具有结构简单、元件数量少、无需复杂的均压电路等优点。同时，为了进一步优化逆变器的输出性能，控制技术的选择至关重要。布尔 PWM 控制技术作为一种先进的调制策略，能够通过逻辑运算精确控制逆变器的开关状态，实现对输出电压波形的灵活调节，从而有效降低谐波含量，提高系统的整体性能。

因此，深入研究基于开关电容器的级联多电平逆变器结合布尔 PWM 控制技术，对于推动电力电子技术在新能源发电、智能电网、工业自动化等领域的应用具有重要的现实意义。

二、基于开关电容器的级联多电平逆变器（SC - CMLI）

2.1 工作原理

以两电平输出为例，说明单个 H 桥型开关电容器单元的工作原理。当 S1 和 S4 导通，S2 和 S3 关断时，直流电源为电容 C1 和 C2 充电，此时单元输出电压为零；当 S2 和 S3 导通，S1 和 S4 关断时，电容 C1 和 C2 串联后接入负载，单元输出电压为 2Vdc（Vdc 为直流电源电压）。通过交替控制这两种开关状态，就可以在负载上得到两电平的交流输出电压。

对于多个基本单元级联的 SC - CMLI，其工作原理类似，每个单元根据控制信号独立调整输出电平，最终将各级单元的输出电压叠加，形成更高电平数的输出电压波形。例如，由 N 个基本单元级联的 SC - CMLI，理论上可以输出 2N + 1 个电平的电压。

2.2 优势分析

降低谐波含量：多电平输出特性使得输出电压波形更接近正弦波，有效减少了低次谐波的含量。根据傅里叶分析，随着电平数的增加，输出电压的谐波失真度（THD）显著降低，从而提高了电能质量，减少了对电网和其他用电设备的干扰。

减少开关损耗：由于每个功率开关器件承受的电压应力较低，且在较低频率下工作，相较于传统两电平逆变器，开关损耗明显降低。这不仅提高了逆变器的效率，还延长了功率开关器件的使用寿命。

结构简单、成本低：与其他复杂的多电平逆变器拓扑相比，SC - CMLI 无需大量的独立直流电源或复杂的均压电路，通过简单的开关电容器网络实现多电平输出，降低了系统的硬件成本和体积，提高了系统的可靠性和可维护性。

模块化设计：基本单元的模块化结构使得系统易于扩展和升级，可以根据实际应用需求灵活调整电平数和功率等级，增强了系统的适应性和灵活性。

三、布尔 PWM 控制技术

3.1 基本原理

布尔 PWM 控制技术基于布尔代数的逻辑运算来生成逆变器的开关控制信号。它将期望的输出电压波形分解为一系列的逻辑状态，通过对这些逻辑状态进行组合和运算，直接确定功率开关器件的导通和关断时刻。与传统的载波调制 PWM 技术不同，布尔 PWM 不需要与载波信号进行比较，而是通过逻辑判断来实现对输出电压的精确控制。

具体来说，布尔 PWM 控制技术首先根据逆变器的拓扑结构和期望的输出电压波形，建立相应的布尔逻辑表达式。这些表达式将输入的控制信号（如参考电压、负载电流等）与功率开关器件的状态联系起来。在运行过程中，实时采集输入信号，经过逻辑运算得到每个功率开关器件的控制信号，从而实现对逆变器输出电压的调制。

3.2 实现方式

在实际应用中，布尔 PWM 控制技术可以通过数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）等数字硬件平台来实现。以 FPGA 为例，实现布尔 PWM 控制的流程如下：

逻辑表达式设计：根据 SC - CMLI 的拓扑结构和控制要求，利用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）编写布尔逻辑表达式，将输入信号转换为功率开关器件的控制信号。

硬件平台搭建：在 FPGA 开发环境中，将编写好的逻辑代码进行综合、布局布线等操作，生成可下载到 FPGA 芯片中的配置文件。

信号采集与处理：通过 FPGA 的输入接口采集逆变器的输入信号，如直流电源电压、参考电压、负载电流等，并对这些信号进行预处理，如滤波、模数转换等。

逻辑运算与输出：在 FPGA 内部，根据预设的布尔逻辑表达式对采集到的信号进行实时逻辑运算，生成每个功率开关器件的控制信号，并通过 FPGA 的输出接口将这些信号输出到逆变器的驱动电路，控制功率开关器件的通断。

3.3 优势特点

高度灵活的波形控制：能够生成几乎任意形状的输出电压波形，适用于各种复杂的应用场景，如高精度的电机驱动、电能质量补偿等。

减少开关损耗：通过优化逻辑运算，减少了不必要的开关切换次数，降低了开关损耗，提高了逆变器的效率。

快速动态响应：由于直接基于逻辑运算生成控制信号，无需与载波信号进行比较，因此能够快速响应负载变化和输入信号的波动，有效提高了系统的动态性能。

易于数字化实现：借助现代数字硬件技术，如 DSP 和 FPGA，布尔 PWM 控制技术可以方便地实现，并且具有较高的可靠性和稳定性。同时，数字化实现也便于对控制算法进行升级和优化，以满足不同应用的需求。

四、基于布尔 PWM 控制的 SC - CMLI 系统建模与仿真

4.1 系统建模

为了深入研究基于布尔 PWM 控制的 SC - CMLI 系统的性能，利用 Matlab/Simulink 软件平台建立系统仿真模型。模型主要包括以下几个部分：

SC - CMLI 拓扑模型：根据选定的 SC - CMLI 拓扑结构，使用 Simulink 中的电力电子模块库搭建逆变器的电路模型，设置各个元件的参数，如功率开关器件的导通电阻、电容值、电感值等。

布尔 PWM 控制模块：利用 Matlab 的 Simulink 模块和 S 函数编写布尔 PWM 控制算法，实现对逆变器功率开关器件的逻辑控制。该模块接收参考电压信号和系统反馈信号（如输出电压、电流等），经过逻辑运算生成相应的开关控制信号。

负载模型：根据实际应用场景，选择合适的负载模型，如电阻电感串联负载（RL 负载）、电机负载等，并设置其参数。

测量与分析模块：在模型中添加电压、电流测量模块，用于采集逆变器的输入输出电压、电流信号。同时，利用 Simulink 的信号分析工具，如傅里叶分析模块，对输出电压的谐波含量进行分析，评估系统的性能。

4.2 仿真参数设置

以一个三相五电平 SC - CMLI 系统为例，设置仿真参数如下：

直流电源电压：Vdc = 100V

开关频率：fs = 10kHz

负载参数：RL 负载，R = 50Ω，L = 10mH

参考电压频率：f = 50Hz

电容值：C = 1000μF

电感值：L = 1mH（用于滤波）

五、结论与展望

本文对基于开关电容器的级联多电平逆变器结合布尔 PWM 控制技术进行了深入研究。通过理论分析、仿真建模和实验验证，结果表明该技术方案在降低谐波含量、提高电能质量和系统效率等方面具有显著优势。SC - CMLI 独特的拓扑结构与布尔 PWM 控制技术的高度灵活性和精确控制能力相结合，为电力电子领域的发展提供了一种新的有效解决方案。

未来的研究可以从以下几个方面展开：一是进一步优化布尔 PWM 控制算法，提高算法的计算效率和控制精度，以适应更高功率等级和更复杂应用场景的需求；二是探索新型的开关电容器拓扑结构，进一步提高逆变器的性能和可靠性；三是研究该技术在可再生能源发电系统（如太阳能、风能发电）中的应用，实现与新能源的高效融合，为推动清洁能源的发展做出更大贡献。