基于SPWM调制的多电平逆变器拓扑仿真系统

资 源 简 介

该项目是一个专门针对电力电子变换技术设计的MATLAB/Simulink仿真系统，旨在深入实现并验证基于正弦脉宽调制（SPWM）的多电平逆变器拓扑方案。其核心逻辑在于将单一直流电源或多级直流链路通过有序分布的功率开关管组合，转换为具有多个电平梯度的交流输出电压。 系统详细模拟了同向移相、反向移相及幅值层叠等不同的SPWM控制策略，这些策略能使合成得到的输出电压波形更接近正弦波。通过对载波信号进行精确的移相或幅值分配，逆变器能显著抑制输出波形中的纹波并显著降低高频开关噪声。本项目不仅实现了对常规级联H桥（C

详 情 说 明

多电平逆变器SPWM调制仿真系统

本项目提供了一个基于MATLAB开发的电力电子仿真平台，专注于实现和验证五电平级联H桥（CHB）逆变器的三相逆变技术。系统通过精确的数学建模和数值仿真，模拟了功率器件在正弦脉宽调制（SPWM）策略下的工作过程。该工具能够帮助研究人员分析多电平逆变器在降低谐波畸变率、优化输出波形质量方面的表现，适用于新能源发电、高压大功率电机驱动等研究领域。

主要功能特性

1. 五电平级联H桥建模：实现了三相级联H桥结构，能够产生包含 +2Vdc, +Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc 在内的五个电压等级，有效模拟了提升等效开关频率的效果。
2. 同向移相层叠调制 (PD-SPWM)：系统内置了同向相位偏移控制逻辑，通过配置四个垂直分布的三角载波与基波信号进行比较，生成精确的开关控制信号。
3. 闭环负载电流动态仿真：集成了基于一阶微分方程数值解的RL负载仿真功能，能够实时观察电感滤波后产生的近似正弦的三相负载电流波形。
4. 自动化电能质量评估：系统具备独立的快速傅里叶变换（FFT）分析模块，能够自动提取输出电压的基波分量、计算总谐波畸变率（THD）并生成频谱分布图。
5. 多维度可视化看板：提供了一体化的仿真结果展示界面，包括调制波与载波的叠加情况、相电压与线电压波形、三相电流平衡度以及开关管触发信号。

实现逻辑说明

仿真系统遵循以下逻辑顺序运行：

1. 参数初始化：定义采样频率（100kHz）、基波频率（50Hz）以及载波频率（2000Hz）。设定调制系数为0.85，以及直流母线电压和负载参数（电阻10Ω，电感15mH）。
2. 基波信号合成：生成相位互差120度的三相正弦参考电压信号。
3. 载波层叠构建：在 [-1, 1] 的幅值范围内，将 4 个三角载波按照 0.5 的步长进行垂直层叠分配，形成 PD-SPWM 所需的比较基准。
4. 控制逻辑映射：通过自建的电平计算逻辑，实时比对调制信号与 4 个载波。每当参考信号高于一个载波，输出电平增加一级，从而将连续的电压信号转化为 5 阶梯度的离散矩形波。
5. 数值积分求解电流：利用欧拉法对负载电流微分方程进行离散化处理，根据每一时刻的逆变器输出电压，迭代计算出负载侧的电流响应。
6. 频域特性分析：截取仿真稳定段的两个完整周期数据，进行 FFT 变换。计算谐波分量的均方根值，并结合基波峰值得出 THD 数值。

关键函数与算法细节

• 电平合成算法：核心逻辑通过对调制信号与分布在不同幅值区间的载波进行布尔比较。通过公式 Vo = Vdc * (s1 + s2 + s3 + s4 - 2) 实现从逻辑信号到 5 电平电压的映射，其中 s1-s4 为比较器输出。
• 线电压推导：基于相电压 Va_out 与 Vb_out 的实时差值计算线电压 Vab，展示多电平逆变器在线电压层级上的叠加特性。
• 负载模型求解器：采用了离散化的一阶微分迭代算法。通过 Ia(k+1) = Ia(k) + (dt/L) * (Va(k) - R*Ia(k)) 公式，在极高采样频率下确保了负载电流仿真的物理准确性，体现了电感的低通滤波效应。
• FFT 与 THD 计算：采用标准频率轴映射算法。THD 的计算通过排除基波频率点后的所有高频分量能量的总和与基波能量的比值来确定，精确反映了输出电压的纯净度。

使用方法

1. 配置环境：确保安装了 MATLAB 2016b 或更高版本。
2. 参数调整：根据实验需求，可在仿真配置区域修改载波频率（f_car）、调制系数（m_a）或直流电压（Vdc）。
3. 执行系统：直接运行主脚本文件。
4. 结果观测：系统将自动弹出仿真图表界面。左侧侧重于时域波形（调制逻辑、输出电压、负载电流），右侧侧重于频域分析（FFT频谱）和系统运行参数汇总。

系统要求

• 软件支持：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 依赖项：无需额外的 Simulink 模块库，纯代码实现，运行速度快，便于移植。
• 硬件建议：4GB RAM 或以上，以支持高频采样下的大数据量运算与绘图。