多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化

1、多电平逆变电路的拓扑结构及仿真优化摘 要:近年来，在高压大功率应用领域多电平功率变换技术得到了广泛的关注，成为电力电子领域中学者研究的热点。与传统逆变器相比多电平逆变器的主要缺点需要很多开关器件，但是由于电压在开关器件或单元模块的平均分配，可采用低耐压的功率器件，所以多电平逆变电路并没有在开关方面成本增加。本文在电平钳位基础上对多电平逆变电路拓扑结构进行了分类，分析了几种典型多电平电路拓扑的优缺点。对几种多电平电路的PWM控制方法进行了比较分析，讨论了各种方法适用的主电路结构。主要是在研究传统级联多电平、混合级联多电平、飞跨电容型多电平逆变电路、二极管钳位级联多电平的基础上，提出了一种基于基本

2、单元组合的多电平逆变电路设计方法。根据本文的研究思想，不仅可以得到已有的多电平逆变电路的拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构从而将多电平逆变拓扑结构的研究统一在基本结构单元的范畴之内，并结合PSpice软件仿真分析。关键词：多电平；电平钳位；拓扑结构；级联式；基本单元组合The multilevel inverter circuit topology structure and simulation optimizationAbstract：In recent years, the high pressure high-power application field multilevel

3、power transformation technology is received extensive attention, become the power electronic field scholars research hot spot. Compared with the traditional inverter multilevel inverter the main disadvantage need many switching device, but because the voltage in switching device or unit of the modul

4、e average distribution, can use the low voltage power components, so the multilevel inverter circuits and not in the switch of increased cost.In this paper based on the clamping level of multilevel inverter circuit topology structure are classified, and analyzes some typical multilevel circuit topol

5、ogy advantages and disadvantages. Several of the circuit of multilevel PWM control methods were compared and analyzed, and the method is discussed a wide main circuit structure. Mainly in the study of traditional cascade multilevel, mixed cascade multilevel, diodes clamping cascade multilevel was pu

6、t forward on the basis of a basic unit based on the combination of multilevel inverter circuit design method. According to this paper the research idea, not only can receive the existing multilevel inverter circuit topology, and can be a series of new topological structure is derived and the topolog

7、ical structure of the multilevel inverter unified in basic research structure unit within the category, and combined with MATLAB software copy.KeyWords：The multilevel; Level the clamping; The topological structure; Cascade; The basic unit目 录第1章 绪论11.1 多电平逆变技术概述11.2多电平逆变技术进展与现状41.3 研究目的41.4多电平逆变器的应用5

8、第二章 多电平逆变电路的主电路拓扑分析82.1 二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑82.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理82.1.2 二极管钳位式多电平逆变电路102.1.3电容悬浮式多电平逆变电路122.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路132.2 飞跨电容型多电平逆变电路142.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理142.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点162.3 级联式多电平逆变电路162.3.1 级联型多电平逆变电路的结构和工作原理172.3.2 H桥逆变单元172.3.3 对称全桥逆变电路182.3.5 混合电路串联逆变电路192.3.4 级联型多电平

9、逆变电路优缺点212.3 本章小结22第三章 基于基本单元的级联式多电平逆变电路233.1基本单元的介绍233.2由基本结构得到的多电平逆变拓扑233.3 功率单元串联级电平逆变电路263.4 本章小节27第四章 仿真研究284.1 仿真平台284.2 仿真及结果284.3 本章小节30结 论31致 谢32参考文献33湖南人文科技学院毕业论文第一章 绪 论近年来，在大功率应用领域多电平功率变换技术得到了很广泛的应用。成为电力电子领域学者研究的热点。大量新型的拓扑和相应调制策略的产生，使多电平技术得到了飞速的发展。1.1 多电平逆变技术概述近年来，应用于高压大功率领域的多电平逆变器引起了电力电子

10、行业的极大关注。由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平逆变器通常采用“高低高”方式经变压器降压和升压来获得高压大功率，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重化来实现，这使得系统效率和可靠性下降。因而，人们希望实现直接的高压逆变技术。基于电力电子器件直接串联的高压变频器对动静态的均压电路要求较高，并且输出电压高次谐波含量高，需设置输出滤波器。多电平逆变电路的提出为解决上述问题取得了突破性的进展。 多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形的谐波含量减小，开关所承受的电压应力减小，无需均压电路，可避免大的dv/d

11、t所导致的电机绝缘等问题。1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的A.Nabae等人对其进行了发展1，提出了二极管钳位式逆变电路。Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构2。多电平逆变器主要应用在高压大功率电机调速、无功补偿、有源滤波等领域。在过去二十多年里，研究者们进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，归纳起来大致可分为以下四类：(1)功率器件的串并联技术这是一种最简单和直接的方案，为了用小功率的开个器件实现大功率变换，将器件串联以承受高压，将器件并联以承受大电流，

12、这个看似简单的方法，由于功率器件参数的离散性，虽好增加；而器件均流，对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时，对于器件串并联，驱动电流的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量短。在管段过程中，由于恢复性能的差异，输了众多的吸收电路也是必不可少的，降低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波该收没有任何贡献，因而应用范围受到一定的局限。(2)逆变器并联技术逆变器并联技术是将多个小容量的逆变器并联运行，并联逆变器的数目可以根据系统需要的容量来确定。这种方法的优点是:易于实现逆变器模块化，可以灵活扩大逆变系统的容量。易于组成N+1个并联冗余系统，提高运行的可靠性和系统的可维护性

13、。逆变器并联技术的难点是需要从控制电路上解决电压同步、稳态和动态均流、N+1冗余与热切换三大技术。(3)组合逆变器相移SPWM技术组合相移SPWM技术，其基本思想是：在一个由n个模块（每个模块就是一个普通的两电平逆变器）组成的系统中，所有模块采用相同的调制波，但相邻的模块的三角载波相位相差2/（nKc），（其中Kc是三角载波与调制波的频率比）。这一相位差使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使各模块最终迭加输出的SPWM波形的等效开关频率提高到原来的nKc倍，因此可在不提高开关频率的条件下，大大减小输出谐波。从广义上说，相移SPWM组合逆变器，也是一种多重化技术。不同于上面所述的输出

14、电压多重化，这里采用是三角载波的多重化，因此简化了输出变压器的设计。图1.1（a）、（d）所示的为几种电压型相移SPWM组合逆变器的拓扑。图1.1（a）、（b）所示为并联型逆变器，通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供较大的输出电流，但在各逆变器单元交流侧的电流谐波未被抵消。其中有中线回路的结构中含有三次及其倍数次谐波，因而需要更大的电感滤波。图1.1（c）所示的串联型逆变器通过电压叠加实现电流中谐波的抵消，逆变器单元的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型的逆变器更小。图1.1（d）所示为并联型的串联型的组合方式。 （a）有中线回路的并联型逆变器 （b）无中线回路的并联型逆变器 (c)串联

15、型逆变电路 （d）并串逆变型电路图1.1 电压型相移SPWM组合逆变器拓扑相移SPWM组合逆变器的优点为：可采用开关频率较低的大功率开关器件，实现等效的高开关频率输出，开关损耗低，输出谐波含量小，减小了输出滤波元件的尺寸和容量，简化了变压器的设计。缺点为：仍然需要工频变压器，增加了系统的损耗和成本，没有减小功率器件的电压应力。(4)多电平逆变器技术多电平逆变器技术是一种通过改进逆变器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型逆变器，它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数的增加,使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小。多电平逆变器技术已成为电力电子学中以高压大功率

16、变换为研究对象的一个新的研究领域。多电平逆变器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下突出优点。(1）每个功率器件仅承受一的母线电压为电平数，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。(2）电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变（THD）。(3）可以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平逆变器相同的输出电压波形，因而开关损耗小、效率高。1.2多电平逆变技术进展与现状自1980年日本学者A.Nabse提出三电平中点钳位式逆变电路以来，经过多年的发展，现已行成钳位式和级联型两大类多种样式的多电平逆变电路拓扑结构3。近年来许多学者致力于探索新型的多电

17、平逆变电路的拓扑结构，如1998年M.D.Manjrdkar等提出了基于不同电压等级的级联型混合多电平逆变电路4，浙江大学的陈阿莲、何湘宁等提出了一种改进级联型多电平逆变拓扑5，王学华提出了一种单相复合式三电平逆变器6等，丰富了多电平逆变电路的拓扑形式。于此同时，人民也在不断寻找通用的多电平拓扑结构，Keith Corzine等人提出了级联型多电平电路的统一拓扑结构7，为了设计和构造新型多电平逆变电路拓扑提供一种新的思想。但目前仍然未能形成构建多电平逆变拓扑系统性理论和方法。1.3 研究目的近年来，世界各国都非常重视中高压功率变换技术的研究。是当前电力电子技术最新发展动向之一。其中多电平逆变电

18、路的拓扑优化是其中最受关注的话题之一。由于传统的逆变电路输出的PWM脉冲波电平数很少，因此存在很高的电压变化率和共模电压，而且波形谐波含量较大。为了解决这一些问题，发展各种多电平逆变电路已成为现在发展的重点。目前中高电压等级（2-10KV、500-40000KW甚至更高）的变频器不像低压变频器那样成熟，具有抑制的拓扑结构，而是限于目前功率器件的电压耐量和高压使用的矛盾，导致拓扑结构复杂多样。也是因为功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需要，多电平逆变电路的拓扑优化研究更具有研究发展前景8。比如高-低-高结构的体积大、成本高、效率低、可靠性低、低频时能量传输困难；单元串联多重化结构必须有笨

19、重的输入变压器进行高压分割、使用开个器件太多、控制复杂等缺点更坚定了多电平逆变电路拓扑优化的研究目的。多电平逆变器相对于普通双电平逆变器更适合大容量、高电压的场合，而且可产生M曾梯形输出电压，对阶梯波在做调节可以得到很好近似的正弦波，理论上提高电平数可接近纯正弦波型、谐波含量很小，电磁干扰问题大大减轻，效率高而且多电平逆变电路可用较低频率进行开关动作，开关频率低，损耗小，效率提高。多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究对于解决逆变器在高压领域的不足有很大的实际意义，发展多电平逆变电路不仅可以弥补传统的双电平逆变电路在高压逆变领域的缺陷，而且可以补充高-低-高结构、交交变频、单元串联多重化结构等结构

20、的不足。多电平逆变电路的拓扑结构优化的研究是逆变器发展中的研究核心，是未来高压逆变领域的热点和发展中心。1.4多电平逆变器的应用多电平功率逆变器的应用领域非常广泛,包括电力系统中的无功功率补偿、大功率的电力传动和可再生能源系统等。具体介绍如下：(1）高压变频调速系统中高压大电机变频调速是多电平逆变器应用的一个重要领域，在大电机调速中，传统的两电平高频逆变器存在以下几个问题：输出电压的电流，除了基波分量外，还含有一系列的谐波分量，这些谐波会使电机产生转矩脉动，使转矩出现周期性的波动，从而影响电机平稳运行和调速范围。在中压场合，提高频率一定程度上可以克服上述某些缺点，但又容易导致较高的dv/dt和

21、浪涌电压，在电机的线圈中产生很大的共模电压，这样可能会导致电机轴承故障和转子绕组绝缘击穿，而且开关器件所产生的电压应力和开关损耗将降低电机效率，同时产生很高的EMI(10KHZ-30MHZ)，将干扰周围电子设备，高电压等级更是受到限制，功率因数低。而多电平逆变器工作在工频时，可在一定程度上克服上述几个问题。将多电平逆变器用于高压变频器领域，不但可以提高逆变器的电压等级，还可以减少逆变器输出端的谐波含量和开关损耗，提高功率因数，动态性能稳定和效率高等，在高压大容量交流调速领域日益收到重视，是目前较理想的高压变频方式，该方式工作原理是利用多电平功率逆变器叠加合成正弦电压波形，随着电平数的增加，合成

22、阶梯波形分级越多，合成的电压畸变越小。其优点是可使用常规低压功率开关器件实现高压变频调速技术，并从根本上解决谐波及EMI问题，还可避免较高的dv/dt导致电动机损坏9。(2）静止无功补偿器无功补偿作为灵活交流输电技术的一个重要组成部分，一直是国内外相关专业领域内的研究热点。无功补偿经历了早期的基于并联补偿原理的常规静止无功补偿器,即晶闸管投切电容器（TSC）和晶闸管控制电抗器之后，随着现代功率半导体器件的应用与新颖功率变换电路及控制技术相结合，产生了新型无功补偿装置：静止调相机（STATCOM）。STATCOM是按照调相机的原理，由新型大功率固体电子元件构成的可调节逆变器、直流电容器组和输出变

23、压器等组成的无转动结构的静止无功补偿装置，核心是电压源逆变器（VSI）。由于具有上述优点，F.Z.Peng首次提出级联多电平STATCOM概念以来，并引起了广泛关注。1999年，世界上首台级联多电平STATCOM工业装置在英国East Clayton变电站投入运行，其容量为75Mvar10。这标志着级联多电平STATCOM技术已进入实用化阶段。(3）有源电力滤波器电能质量的改善是电力系统面临的一项重要课题。在众多谐波治理方案中,有源电力滤波器（APF）可以起到瞬时补偿电力系统谐波、无功功率、电压波动、负序等作用，在国内外得到了广泛的研究。然而，要实现大容量的谐波补偿，需要APF具有较大的装置容

24、量。由于目前电力电子器件容量、价格及其串并联技术等的限制,装置容量大势必使初始投资大，并且大容量还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题，从而限制了APF的进一步发展。近年来，多电平逆变器在高电压领域得到越来越广泛的应用,特别是在减小电网谐波方面有着非常良好的应用前景。清华大学的李永东教授研制出级联多电平结构APF。浙江大学的张仲超教授将相移SPWM技术应用于级联多电平结构APF，器件开关频率仅为600HZ，取得了很好的滤波效果。美国田纳西大学的F.Z.Peng等人采用二极管箝位五电平结构，研制出统一电能质量调节器，滤波之后系统电流的THD仅为3%。清华大学的韩英铎教授

25、采用二极管箝位三电平拓扑结构，研制出并联电能质量补偿器器。实验结果表明，该滤波器的性能明显优于普通两电平APF。(4）高压直流输电（HVDC）在远距离输电（跨地域输电），非周期输电（非同步）的电力系统实现联网方面,高压直流输电优于交流输电，同时直流输电节省金属材料的用量（少一根输电线），直流输电需要构造超大功率的整流和逆变装置。级联型多电平变流器输出电压的相位和幅值便于调节和控制，而且输出电压的谐波含量低,并有很高的可能性，,再加上其模块化设计的简单结构，因此在高电压级别的高电压直流输电中也得到较多的应用。如巴西伊太普HVDC工程运行电压最高为600KV，输送功率为3100MW，线路长8000

26、KM，它代表当今水平。它代表当今HVDC水平。我国葛洲坝一上海南桥500KV，输电工程建设中也用了该项技术。在高压变频器领域，多电平技术还将在未来很长一段时间里占居明显优势。在无功补偿、有源滤波器、高压直流输电领域，采用多电平拓扑的工业装置将慢漫进入实用化阶段。随着高压大容量电力电子装置需求的日益加大，多电平技术作为电力电子技术的核心技术之一，将对中国电力系统未来的发展起到至关重要的作用,而且其产业化也展示了诱人的前景。运用多电平技术来改造传统的电力工业，使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作，也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。第二章 多电平逆变电路的主电路

27、拓扑分析多电平逆变器就是把多个功率器件按一定的拓扑规律连接起成可以提供多种电平输出的逆变电路，再使用适当的逻辑控制将多个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。世至今已提出多电平逆变电路的多种主电路拓扑结构，目前应用较为广泛的几种有以下三大类。 (1）二极管或电容箝位的多电平逆变电路拓扑，包括二极管箝位式、电容悬浮式、电容电压自平衡式3种。(2）飞跨电容型多电平逆变电路。 (3）级联型多电平逆变电路。2.1 二极管或电容钳位的多电平逆变电路拓扑2.1.1二极管箝位型多电平逆变电路的工作原理二极管箝位型结构如图2.1所示。其结构特点是利用多个二极管对应相应的开关元件进行箝位，解决了功率器件串联的均

28、压问题。输出线电压电平数NL、电容个数NC与相电压电平数NP的关系为：NL=2NP-1 (2.1) NC=NP-1 (2.2)以二极管箝位型五电平逆变器单臂电路分析，分压电容C1=C2=C3=C4，因此VC1=VC2=VC3=VC4；每相桥臂有8个开关器件S1-S8串联，每4个开关器件同时处于导通或者关断状态，其中（S1,S5）、（S2,S6）、（S3,S7）、（S4,S8）为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个一定关断，反之亦然，DC1、DC1'、DC2、DC2'、DC3、DC3'为箝位二极管。五电平逆变器的输出电压与开关状态之间关系如表2.1所示。表

29、2.1 五电平逆变器的输出电压与开关状态之间的关系输出电压开关状态S1S2S3S4S5S6S7S8Vdc/211110000Vdc/401111000000111100- Vdc/400011110-Vdc/200001111注：表中“1”表示开关器件导通状态，“0”表示开关器件关断状态。图2.1二极管箝位型五电平逆变器单臂电路对于n电平的二极管箝位型逆变器拓扑，每个桥臂需要（n-1）个直流分电压容，2(n-1)个主开关器件，（n-1）（n-2）个箝位二极管11。通过组合三个相同的但比电路，利用相同的分压电容，可以容易得到三相电路，如图2.2所示。在传统的二极管箝位型多电平逆变器中，当电平数超

30、过三时，箝位二极管因需要阻断多倍电平电压，通常由多个相同标称值的二极管串联。例如在图2.1中，DC1由鱼需要阻断两倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联；DC2'和DC2需要阻断两倍的电平电压，它们分别由两个相同的二极管串联，DC3需要阻断三倍的电平电压，它由三个相同的二极管串联。图2.2二极管箝位型五电平三相逆变器主电路2.1.2 二极管钳位式多电平逆变电路二极管箝位式多电平逆变电路的特点是采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输出所需的不同电平。图2.3是二极管箝位式5电平逆变电路拓扑结构，它具有4个电容，能输出5电平的相电压，线电压为9电平。对于M电平电路

31、，直流侧需M1个电容，能输出M电平的相电压，线电压为(2M1)电平。它的输出电压和输出电流的总谐波畸变率都大大减小。这种结构有显著的优点，即利用二极管进行箝位，解决了功率器件串联的均压问题。但是，二极管箝位式多电平变频器也有如下缺点。 (1）虽然开关器件被箝位在Vdc/(M1)电压上，但是二极管却需要不同倍数的Vdc/(M1)反向耐压。如果使二极管的反向耐压与开关器件相同，则需要多管串联，如图2-4(a)所示，其数目为(M1)(M2)/2，当M很大时，增加了实际系统的实现难度。 (2）当逆变器只传输无功功率时，电容器在半个周期内由相等的充电和放电来平衡电容电压。但是当逆变器传输有功功率时，由于

32、各个电容的充电时间不同，将形成不平衡的电容电压。 图2.3 二极管钳位式五电平逆变电路上述的二极管箝位式多电平逆变电路中的二极管承受电压不均匀，若按照最大值选择则造成浪费，如果多管串联又会产生均压问题。因此，在1999年Xiaoming Yuan提出了一种新的结构12，如图2.4(b)所示。它的器件个数和开关控制的方法（a） 二极管串联钳位 （b）二极管自钳位图2.4 二极管钳位的新结构和原来的结构完全相同，只有二极管的放置位置不同。该结构不但将开关管的电位箝位在单个电容电压，而且箝位二极管也被箝位在单个电容电压以内，从而解决了箝位二极管承受电压不均的问题。2.1.3电容悬浮式多电平逆变电路在

33、1992年，T.A.Meynard和H.Foch提出了如图2.5所示结构13。它的特点是箝位二极管被箝位电容所代替，直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位式逆变器相似。M电平逆变器可输出M电平相电压，(2M1)电平的线电压。图2.5 电容悬浮式五电平逆变电路这种结构相对于二极管箝位式逆变器的优点是： (1）在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性。 (2）由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡。 (3）可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。 但是，这种拓扑也有缺点： (1）对于这种结构，M电平的逆变器每个桥臂就需要(M1)(M2)/

34、2个电容，再加上直流电源的M1个电容，大量的电容使得系统成本高且封装不易。 (2）控制方法非常复杂，实现起来很困难。 (3）存在电容的电压不平衡问题。2.1.4电容电压自平衡式多电平逆变电路这种结构是2000年由Peng Fangzheng首次提出的14，是以电容箝位的半桥结构为基本单元组成的。多级电路是由基本单元按金字塔结构形成的。图2.6为5电平的电容电压自平衡式逆变器。在图2.4中，开关器件Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sn1、Sn2、Sn3、Sn4和二极管Dp1、Dp2、Dp3、Dp4、Dn1、Dn2、Dn3、Dn4用来在输出端输出所需电平，其他开关器件、二极管和电容用于电平箝位以实

35、现单元的自动均压。 图2.6 电容电压自平衡式五电平逆变单相电路这种结构与以上所述的二极管箝位式和电容箝位式结构比较有以下优点： (1）实现了电容电压的自动箝位，不需要复杂的电容电压平衡控制算法。 (2）将此结构的输出端和输入端交换，可以用相同电路实现功率的双向流动，所以，这种结构应用范围广泛，可以实现 DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率转换。 该结构的缺点： (1）当电平增加时，所需要的电容和功率开关数目都会增加许多，使得系统的成本和体积增大。 (2）由于使用了大量的功率开关和箝位电容，使得电路在工作时的开关损耗增大。 (3）随着电路级数的增加，由于功率开关的通态压降引起的每级电压

36、降落将越来越明显。 2.2 飞跨电容型多电平逆变电路2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路结构和工作原理图2.7所示是一个飞跨电容型五电平逆变器的单臂电路,S1-S8为功率开关管，Cc1-Cc6为飞跨电容，每个电容都具有相同的电容值和电压，C1-C4为直流分压电容。由图可见，与二极管箱位型多电平逆变器不同，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行籍位的，它的开关状态如表2.2所示。从表中可以看出,该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。例如，对于输出电压-Vdc/4和Vdc/4，分别可以由四种开关状态组合得到；对于输出电压0，可以由六种开关状态组

37、合得到。这种开关状态组合的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可能性和灵活性。与二极管箱位型多电平逆变器类似，飞跨电容型多电平电路也可构成三相系统，如图2.8所示。对于一个电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2（n-1）个开关器件,（n-1）个直流分压电容以及（n-1）（n-2）/2个飞跨电容。图2.7 飞跨电容型五电平逆变电路单臂电路表2.2飞跨电容五电平逆变电路输出电压与开关状态之间的关系输出电压开关状态S1S2S3S4S5S6S7S8-Vdc/200001111-Vdc/4100011100100110100101011000101110110011000011001110101010100

38、101100101010101101001Vdc/411101000011100011011001011010100Vdc/211110000图2.8 飞跨电容五电平三相逆变电路2.2.1 飞跨电容型多电平逆变电路的优缺点飞跨电容型多电平逆变器拓扑的出发点之一,是为了去除二极管箱位型电路中大量的箱位二极管,但同时又引入了大量的悬浮电容。在电力电子装置中,电容是一个可靠性较差、寿命较短的器件15。综合分析得出飞跨电容型多电平逆变器的优点如下。(1）电源断电时，大容量电容器存储的能量可以作为电源提供额外控制。(2）在电压合成上，大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。(3）能控制有功和无功功率

39、流量,因而可用于高压直流输电和变频调速。(4）阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。(5）单电平数越多，输出电压谐波含量越少。但是它同样具有以下缺点。(1）当逆变器输出电平数很大时，需要的飞跨电容数量大，封装困难成本较局高。(2）功率变换电路控制困难，有功功率流量转换的开关频率和开关损耗较高。(3）用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。2.3 级联式多电平逆变电路级联型多电平逆变器是将多个独立的单相全桥逆变电路串联起来，组成一个功率模块，通过向量合成每个逆变器的输出电压形成多电平波形。级联型多电平逆变器具有输出容量大、易于模块化和扩展、适用于中高压大功率场合、输出电压谐波含

40、量小等优点,已在无功发生器（SVG）、中高压调速、大功率有源电力滤波和交流柔性供电等领域得到了广泛的应用。由型全桥逆变电路作为功率单元级联而成。单元级联型电路输出线电压电平数NL相电压电平数NP与每单相级=4联功率单元数NS的关系为：NP=2NS+1 （2.3） NL=4NS+1 （2.4）2.3.1 级联型多电平逆变电路的结构和工作原理图2.9是级联型五电平逆变器拓扑单臂电路，它由两个电平H桥单元级联构成。可以输出2、1和0五种电平。与二极管箝位型和飞跨电容型多电平逆变电路相比，级联型拓扑不需要大量的箝位二极管和飞跨电容，但是需要多个独立直流电压源。对于一个n电平的级联型拓扑，每个桥臂需要（

41、n-1）/2个独立直流电压源和2（n-1）个主开关器件。该拓扑可以方便地通过三角形或星形联接构成三相系统。2.3.2 H桥逆变单元逆变单元主电路为电压型（VSI）单相全桥逆变器（也称H桥逆变单元），图2.10为H桥逆变单元的主电路拓扑结构。实际应用中桥逆变单元的直流电压源一般由三相或单相交流电压整流成脉动的直流电压,经电容滤波后获得。H桥由S1、S2、S3和S4四只IGBT及反并联二极管组成。每两个IGBT工串联构成一个桥臂（S1和S2串联构成左边桥臂，S3和S4串联构成右边桥臂），左右两个桥臂并联后连接到直流母线上。通过对逆变桥进行PWM控制，使左右两个桥臂的中点L、R之间输出幅值和频率可变

42、的交流电压。图2.9 级联型五电平逆变器单臂电路图2.10 H桥逆变单元拓扑结构为防止直流母线发生短路，同一桥臂的两个IGBT不能同时导通，因而来自控制系统的IGBT的触发信号中，S1和S2触发信号反相，S3和S4触发信号反相。这样，四个IGBT共有四种有效的组合状态；当S1和S4导通而S2和S3关断时，左右两桥臂的中点L、R之间输出电压为+E，即U0=+E。当S2和S3导通而S1和S4关断时，左右桥臂的中点L、R之间输出电压为-E，即U0=-E。当S1和S3导通而S2和S4关断时，或当S2和S4导通而S1和S3关断时,左右桥臂的中点L、R之间输出电压为U，即U0=0。因此根据四个IGBT不同

43、的态状组合，每个逆变功率但那原都能够输出3种不同电平的电压，+E、0、和-E。2.3.3 对称全桥逆变电路单元级联型多电平功率逆变器每一相均由N个结构相同的逆变单元将交流输出电压串联组成，叠加后形成多电平功率变换电路的某一相输出，如A相输出相电压UAN为：UAN=Uoa1+Uoa2+-+UoaN (2.5)多电平功率逆变器的每相输出电压是N个级联的功率单元输出电压之和,每一功率单元可以输出+E、0、和-E三种电压故每一相可以输出电平：-NE，-(N-1)E，.，-E，O，E，.，(N-1)E，NE级联型多电平功率变换电路的相电压电平数M为奇数，每相逆变功率单元的个数N与M自己满足一下关系：M=

44、2N+1 (2.6)控制中根据不同的脉宽调制方式，每相输出不同的M级脉宽调制的阶梯波逼近正弦波形以满足应用需求。故两个三电平基本单元可以组合成一个五电平的对称全桥电路，两个五电平基本单元则可组成一个九电平的对称全桥电路，以此类推,可得出如下结论：用2个相同的低阶M电平基本单元（记作HBm,其中m为其电平数）可以构成一个高阶的2m-1电平对称全桥电路记作SFB2m-1，其中2m-1为其电平数）。这种对称全桥电路的一个突出优点在于可以将一些输出电平数较少的电路组合成输出电平数较多的电路，从而可以显著减小谐波含量。普通的二极管箝位、电容箱位型电路存在的一个缺陷就是随着电路输出电平数的增加，其电路结构

45、将会变得越加复杂。五电平全桥电路（由两个三电平基本单元构成）的拓扑要比同样输出五电平的NPC电路结构简单得多；九电平的NPC电路目前很难实现，但是用两个五电平的NPC电路就能够实现九电平的对称全桥逆变电路。因此，从理论上分析，这种组合方式是具有一定可行性的，而且还可以对其进行进一步优化，是分析非对称全桥逆变电路的基础。2.3.5 混合电路串联逆变电路通常，开关速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的电压容量比较低，而高电压容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的开关频率又较低。为了用更少的单元得到更多的电平，基于“混合功率单元”的串级逆变电路得到了发展。这种结构是传统功率单元串联逆变

46、电路的推广。 文献7提出了对2个独立单元的直流箝位电源采用电压比为1:2，一个单元使用IGBT，另一个单元使用IGCT的混合串级逆变电路，IGCT单元上的电压2倍于IGBT单元，如2.11所示。在控制上，以基波开关IGCT，以PWM方式调制IGBT。比起功率单元串级电路，这种混合单元的串级电路有一个优点：由于2个单元预先给定的电压不同，IGBT单元和IGCT单元可以通过控制各自功率器件的开断来相互协调，从而实现单相7电平的输出。这种结构达到了用更少的单元到更多电平的目的。该混合单元输出各个电平时两个单元的开关状态如表2.4所示。表2.4 电压比为1:2时输出电平状态输出电压范围IGBT输出IG

47、BT输入32 2 0121 2 0110 0 0101 0 0112 2 0123 2 01类似的，可以将两个单元的电压比设为1:3，控制方法与1:2的结构类似。开关状态如表2.5所示。表2.5 电压比为1:3时输出电平状态输出电压范围IGBT输出IGBT输入43 3 -1032 3012-1 3011 100 -10 010 01 120311233-1034301图2.11 IGBT和IGCT组成的混合单元2.3.4 级联型多电平逆变电路优缺点级联型多电平逆变电路的特点如下： (1）无需均衡电容电压。二极管筱位型多电平逆变器是由多个电容分压得到的，工作时需要均衡电容电压。而在级联型逆变器中

48、，各隔离直流电源在充放电上是完全解藕的，只要各直流电源容量足够，无需特别的均衡控制。(2）结构上易于模块化和扩展。级联型逆变器是一种串联结构，每个H桥臂结构相同，易于模块化生产。逆变器拆卸和扩展都很方便,这是其他多电平逆变器所不具有的。(3）级联型逆变器除具有多电平逆变器共同的线电压冗余特性外，还具有相电压冗余特性。对于每相某一输出电压,存在多种级联单元的状态组合。各级联单元的工作是完全独立的，其输出只影响输出总电压,不会对其他级联单元造成影响。相电压冗余可用于均衡各单元的利用率，级联型逆变器从原理上各器件的利用率可以达到一致。(4）便于实现软开关技术。通过对H桥加入谐振电感、电容，采用适当的

49、控制策略比较容易实现软开关，从而可以减少开关损耗，减小散热装置的体积。(5）是多电平逆变器中输出同样数量电平而所需器件最少的一种。在采用了差补技术或混联技术后，器件效能比进一步增大。级联型逆变电路目前主要存在的问题：(1）由级联型逆变器的结构可知，当逆变器的重数增多时，需要的隔离直流电源数量也随之增加。这将使得系统结构变得很庞大，专门制作直流电源成本较高，并且直流电源增加了一级功率变换，降低了系统的效率。这是目前制约级联型逆变器在中小功率变换中应用的瓶颈。(2）由于级联型逆变器具有较多的工作单元，大部分情况下，并不是所有单元都同时得到了利用。为提高系统可靠性和延长系统寿命，需要均衡各单元的利用

50、率。目前均衡控制方法主要基于循环和交替的控制方法，这些方法存在时间相关性，需要记录先前的工作情况，只适用于参考信号平稳的场合。(3）随着级联单元的增多，系统的复杂度增加，由于较多的元件，系统出故障的可能性增大。系统故障检测的难度增加了，故障发生后，故障定位的难度也大大增加了。这将增加系统的维护成本。也延长了系统的维修时间。因此,级联型逆变器需要一种快速、低成本的故障诊断方法。(4）目前级联型逆变器一般采用集中控制，即一个计算机控制所有的开关器件，集成了系统所有功能。随着日益增大的功率要求，级联型逆变器的级联单元会日益增多，结构将更加复杂，若仍采用集中控制会使系统软硬件设计面临巨大挑战。同时集中

51、控制增大了级联型逆变器的再次扩展的难度，也限制了逆变器的模块化生产"因此，级联型逆变器需要一种分散控制、集中协调的模式,这方面目前未见相关文献报导。2.3 本章小结本章详细介绍了多电平逆变电路的三种常见拓扑结构和工作原理。综合比较了各类基本拓扑结构的优缺点：二极管箝位式多电平逆变电路直流电容均压困难，二极管耐受高压，飞跨电容型电路需要大量箝位电容，封装困难。两种拓扑结构对功率元件都存在潜在的高压危险，控制较为复杂，而单位级联型多电平逆变电路易于模块化设计及控制，安装维护简单，可靠性高，具有一定优越性。第三章 基于基本单元的级联式多电平逆变电路为了便于快速建立能简易控制的多电平逆变电路

52、，本文中提出一种新型的基于基本单元的级联式多电平逆变电路。下面将讨论这种逆变电路的基本构成单元、拓扑结构、工作原理及仿真研究。该思想是以基本单元为基础，根据系统对输出电压、电平数的要求可决定串联的单元数。将基本单元结果进行简单的串并联以达到输出电压、电平数的要求。3.1基本单元的介绍所谓基本单元，只指满足构成多电平逆变电路拓扑条件的最小组成部分。从电路原理的角度，为得到输出的多电平，至少必须满足以下两个基本调剂：（1）需要基本电平。（2）需要相应的由有源和无源器件组成的单元，将基本电平合成、实现多电平输出。将基本电平和电路单元相结合，就可构成多电平逆变电路的基本单元，图3.1（a）所示的普通两

53、电平逆变电路的桥臂就能满足要求。但这样得到的基本单元只能实现两电平的输出，为了得到多电平输出，自然的思路就是将他们串联或并联，得到如图3.1（b）和图3.1（c）所示的单元。对于前者，在两个输出端之间，可以得到四种电平的输出电压，V1-V2，V1-V3，V2-V3，0。对于后者实际上就是一个普通的全桥电路，如果采用单极性调制，在它的输出端，可以得到单个电平V1-V2，0，V2-V1。3.2由基本结构得到的多电平逆变拓扑在得到基本单元后，为了得到更多的电平，可以采用基本单元串并和并串的联接方式进行扩展。（1） 基本单元串并得到的多电平逆变电路拓扑将多电平逆变电路基本单元分别串联，得到若干个电平数

54、递减的部分，再将这些部分并联，从而得到如图3.2所示的多电平逆变电路拓扑。现有的二极管钳位型多电平逆变电路，电容钳位型多电平逆变电路都可以从中推导得到。在该电路中去除某些元件可以得到一些新的多电平逆变拓扑，这些新拓扑结构基本上仍属于二极管钳位型和电容钳位型的变形电路。同时多电平逆变电路基本单元还可以用三（或三个以上）电平桥臂构成，仍 （a）基本单元 （b）基本单元的串联（c）基本单元的并联图3.1 基本单元的串并联组合然采用先串后并的方法。图3.3以二极管钳位型三电平桥臂作为基本单元通过串并组合得到的多电平逆变电路拓扑，同样可以得到以飞跨电容型三电平桥臂作为基本单元的多电平逆变电路拓扑。更多的

55、多电平逆变电路拓扑的生成，还可以通过组合两电平桥臂基本构成单元和三电平桥臂基本构成单元得到。（2） 基本单元并串得到的多电平逆变电路拓扑图3.2 基于两电平桥臂和基本单元图3.4 基于两电平桥臂和基本单元图3.3 基于二极管钳位型三电平桥臂和将任意电平的基本单元并联形成多个全桥单元，再将这些全桥单元串联，可得到任意电平的级联型多电平逆变电路。由于级联型多电平逆变电路具有易于模块化的结构特点，所以本文提出的基本电源的思想在其中更能充分地体现出来。图3.4即为由两电平桥臂作为基本单元构成的级联型多电平逆变电路。更多的级联型拓扑可以通过串联任意个任意电平、任意类型的全桥单元得到。对于使用不同直流电压的级联型拓扑，某些电平的输出要求不同单元输出正负相反的电平，这样会产生电流回灌，直流侧电压上升过高而得不到期望的输出。为了解决这个问题，可以对两个单元使用有全控器件构成的有源整流。另外，多电平