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单相七电平级联逆变器开环仿真之旅（MATLAB/Simulink 实现）

news 2026/4/12 1:23:51

单相七电平级联逆变器，开环仿真。仿真平台:MATLAB/simink。

最近在研究电力电子相关内容，接触到了单相七电平级联逆变器的开环仿真，用 MATLAB/Simulink 这个强大的工具来实现。今天就跟大家分享一下这个有趣的过程。

一、单相七电平级联逆变器原理

在深入代码之前，咱们先简单了解下单相七电平级联逆变器的原理。级联逆变器通过多个 H 桥级联的方式来合成多电平输出。以七电平为例，一般由三个 H 桥级联组成。每个 H 桥输出不同的电平状态，组合起来就能得到七种不同的电平输出。比如，通过控制每个 H 桥的开关状态，可以实现从 -3Vdc 到 +3Vdc 共七个电平的输出（这里 Vdc 是直流电源电压）。

二、MATLAB/Simulink 平台搭建

（一）模块选择与放置

打开 MATLAB 并进入 Simulink 环境。咱们首先要做的就是搭建仿真模型。在 Simulink 库浏览器中，找到“Simscape” -> “Power Systems”库。这里面有各种电力系统相关的模块，这就是咱们搭建逆变器模型的宝库。

从“Power Electronics”子库中拖出三个“Universal Bridge”模块，这三个模块就分别代表三个 H 桥。每个“Universal Bridge”模块默认是两电平的桥臂，对于我们的七电平级联逆变器来说正好适用。

（二）模块参数设置

直流电源设置：为每个 H 桥提供直流电源。从“Simscape” -> “Power Systems” -> “Electrical Sources”库中拖出三个“DC Voltage Source”模块。假设我们设定每个直流电源的电压为 Vdc = 100V 。在每个“DC Voltage Source”模块的参数设置中，将“Voltage”设置为 100V 。
H 桥参数设置：双击每个“Universal Bridge”模块，进入参数设置界面。在“Configuration options”中，选择“2-level H-bridge (4 switches)”模式，这是因为我们要组成 H 桥结构。“Snubber resistance Rs”和“Snubber capacitance Cs”可以根据实际需求设置，这里为了简化仿真，先保持默认值。

（三）控制信号生成

信号发生器：我们需要为每个 H 桥生成控制信号来控制其开关状态。从“Simulink” -> “Sources”库中拖出三个“Pulse Generator”模块，分别对应三个 H 桥的控制信号。
参数设置：以第一个“Pulse Generator”为例，设置“Amplitude”为 1 ，“Period”根据所需的开关频率来设置。假设我们希望开关频率为 5kHz ，由于逆变器一般采用正弦脉宽调制（SPWM），这里“Period”设置为 1/5000 = 0.0002s 。“Pulse Width”设置为 50% ，也就是 0.0001s 。“Phase delay”可以根据需要设置相移，这里先设置为 0 。同样的方法设置另外两个“Pulse Generator”模块的参数。

三、代码实现（S 函数示例）

虽然在 Simulink 中可以通过图形化方式搭建模型，但有时候为了实现更复杂的控制算法，我们可能会用到 S 函数。下面是一个简单的 S 函数示例，用于生成更灵活的控制信号。

function [sys,x0,str,ts] = spacemodel(t,x,u,flag) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes; case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise DAStudio.error('Simulink:blocks:unhandledFlag', num2str(flag)); end % 初始化函数 function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 0; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 1; sizes.NumInputs = 1; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); x0 = []; str = []; ts = [0.00002 0]; % 采样时间设置为开关周期 % 输出函数 function sys=mdlOutputs(t,x,u) % 这里u可以是参考信号，通过一定算法生成控制信号 sys(1) = sin(2*pi*50*t); % 简单示例，生成一个 50Hz 的正弦信号作为控制信号

代码分析

整体结构：这个 S 函数遵循 Simulink 的标准 S 函数结构，通过switch - case语句根据不同的flag值来调用不同的子函数。
初始化函数（mdlInitializeSizes）：在这个函数中，我们设置了系统的状态数（连续状态和离散状态都为 0 ），输出数量为 1 ，输入数量为 1 ，并设置了直接馈通（DirFeedthrough）为 1 ，表示输出直接依赖于输入。同时设置了采样时间ts为开关周期 0.00002s 。
输出函数（mdlOutputs）：这里简单地生成了一个频率为 50Hz 的正弦信号作为控制信号示例。在实际应用中，可以根据复杂的控制算法，利用输入u（比如参考电压信号等）来生成更合适的控制信号。