圖1 現(xiàn)有多電平變換器分類圖

圖2 單一直流源多電平電路模型 圖3 分立直流源多電平電路模型

圖4 一個兩電平單元 圖5 M級自平衡多電平結(jié)構(gòu)的單相拓?fù)?/div> 圖5即為這種新型的自平衡多電平結(jié)構(gòu)單相的拓?fù)?，由圖可知，它是由圖4所示的基本單元組成的。因為基本的單元是一個兩電平的單相電路 （a two-level phase leg ），所以由它組成的多電平結(jié)構(gòu)又叫做P2多級逆變器。 這種可電壓自平衡的P2多電平拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是： • 該系統(tǒng)的電能損耗反比于電容量和開關(guān)頻率，提高開關(guān)頻率和加入一些特定的開關(guān)狀態(tài)可以大大減小損耗，提高系統(tǒng)效率。 • 相比起一般的二極管鉗位和電容鉗位式拓?fù)?，該系統(tǒng)各級的中點(diǎn)電壓都能得到很好的控制。 • 對一個M級電平的P2逆變器系統(tǒng)，所需的開關(guān)器件/二極管數(shù)目為M＊（M-1）；需要的電容器數(shù)量為M＊（M-1）/2。 • 計算簡單，器件應(yīng)力可達(dá)到最小化。 對圖5的系統(tǒng)進(jìn)行簡化和變形，可以得到傳統(tǒng)的二極管鉗位和電容鉗位式多電平拓?fù)洌约耙恍┢渌母倪M(jìn)拓?fù)?。去掉圖5所有的鉗位開關(guān)，可以得到二極管-電容鉗位的多電平系統(tǒng)，如圖6；而去掉鉗位開關(guān)和二極管，則得到電容鉗位式的多電平系統(tǒng)，如圖7；去掉鉗位開關(guān)和電容，可得到二極管鉗位式拓?fù)?，如圖8；再對調(diào)二極管的連接，可得到一種改進(jìn)的背對背的二極管鉗位式系統(tǒng)，如圖9。 這種通用的多電平拓?fù)涞膽?yīng)用還包括，開關(guān)電容DC-DC變換器和倍壓電路；此外，結(jié)合其他電路的使用還可實現(xiàn)雙向的DC-DC變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來實現(xiàn)多電平變頻器。 （4）層疊式多單元結(jié)構(gòu)（SMC） 見圖10，也能實現(xiàn)高壓、多電平輸出[12][13]。這種結(jié)構(gòu)比一般電容箝位型結(jié)構(gòu)有一定優(yōu)勢，可以使用更少個數(shù)和更小體積的電容，減少了裝置的體積，尤其在大于三電平以上高壓輸出的應(yīng)用中。 SMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于跨接電容和開關(guān)組成的基本換流單元的一個混合結(jié)構(gòu)。圖11為兩層疊兩單元變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩個電容箝位型單元疊加起來，圖中S21a、S21b和S21為互補(bǔ)開關(guān)，不能同時開通，同樣其他開關(guān)也有類似的互補(bǔ)開關(guān)對。上層和下層采用類似電容箝位型的開關(guān)方法，就可以實現(xiàn)多電平的輸出。 但是，這個結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)：為了滿足最底層和頂層一方開通時的耐壓要求，拓?fù)渲型鈧?cè)功率開關(guān)都是兩管直接串聯(lián)，帶來了開通和關(guān)斷同步問題，而且由于不是總工作在上述的兩個狀態(tài)，從另一個角度說，浪費(fèi)了功率器件的耐壓容量，而且當(dāng)需要進(jìn)一步上高壓，層疊數(shù)超過兩層時，開關(guān)數(shù)量會大大增加，電容也會增多；同時，這類拓?fù)涞目刂品椒ㄒ脖容^復(fù)雜，其優(yōu)越性也不明顯 。 （5） 帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器 對于帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可。其特點(diǎn)是： 直流側(cè)采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題，無須二極管或電容箝位，易于進(jìn)行調(diào)速控制 因每個H橋都采用單相控制，直流電容在任一時刻都有交流電流通過，因此需要用較大容量的直流電容 控制方法相對簡單。因每一級結(jié)構(gòu)的相同性, 可分別對每一級進(jìn)行PWM控制, 然后進(jìn)行波形重組 對相同電平數(shù)而言, 串聯(lián)型結(jié)構(gòu)所需器件數(shù)目最少 一般二極管嵌位式、電容懸浮式限于7或9電平，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)因無二極管和電容的限制，電平數(shù)可較大，適合更高電壓，諧波含量更少 由于每一級逆變橋構(gòu)造相同, 給模塊化設(shè)計和制造帶來方便, 且裝配簡單, 系統(tǒng)可靠性高。另外, 某一級逆變橋出現(xiàn)故障時, 就被旁路掉, 剩余模塊可不間斷供電, 以盡量減少生產(chǎn)損失 因這種結(jié)構(gòu)較容易采用低壓的功率開關(guān)器件，實現(xiàn)多級電壓串聯(lián)，獲得高電壓，大容量，因此具有較大的實用性。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。 目前，國際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經(jīng)具有同類的產(chǎn)品，可以用在大容量電機(jī)調(diào)速、無功補(bǔ)償?shù)纫恍┬袠I(yè)。國內(nèi)也有產(chǎn)品問世，可用于拖動風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速系統(tǒng)中。 （6） 三相逆變器串連式結(jié)構(gòu) 1999年 E.Cengelci等人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻結(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個由IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高壓的輸出，并且這三個常規(guī)逆變器可采用同一種控制方式，電路結(jié)構(gòu)和控制方法都大大簡化。其拓?fù)淙缦滤荆? 這種三相逆變器串聯(lián)式逆變器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：  三個常規(guī)的逆變器為核心構(gòu)成高壓變頻器，且每個逆變器可采用常用PWM方法 n三個常規(guī)的逆變器平衡運(yùn)行，各分擔(dān)總輸出功率的1/3 整個變頻器輸出可等效為7電平PWM，諧波小和dv/dt低 輸出變壓器的容量只需總?cè)萘康?/3 18脈沖輸入，網(wǎng)側(cè)無諧波且功率因數(shù)高 由于三相逆變器串連式結(jié)構(gòu)的三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，三個逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律，但是相當(dāng)于兩電平的高壓變頻器，dv/dt太大。因此可以采用將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3周期的辦法，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，相位互差120º，相當(dāng)于一個線電壓為7電平的高頻變壓器。 綜上所述，二極管嵌位式和電容嵌位式由于存在均壓問題， 比較適合應(yīng)用于無功調(diào)節(jié)，而在有功傳遞，如電機(jī)調(diào)速方面控制較難，需要實施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統(tǒng)不需要大量的變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊，功率因數(shù)高，無電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實現(xiàn)的領(lǐng)域上引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)以較低耐壓器件實現(xiàn)高壓大容量，由于電平數(shù)可以很多，網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波很低，若采用四象限整流，并與現(xiàn)代電機(jī)控制理論結(jié)合，高性能四象限大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速將成為可能，其在交流傳動領(lǐng)域的應(yīng)用將很是樂觀。 三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變 轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件的運(yùn)行，并且對電網(wǎng)諧波污染小，可很好的用于中壓（ 2300～4160 V）的交流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。 3. PWM 控制技術(shù) 大功率逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷更新的同時, 與之相應(yīng)的PWM控制技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。各國學(xué)者不僅對傳統(tǒng)的PWM進(jìn)行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。 1） 傳統(tǒng)的PWM 控制技術(shù)及其發(fā)展 傳統(tǒng)的PWM 控制技術(shù)多用于兩電平逆變器的門極驅(qū)動控制, 其主要方法是依靠載波和調(diào)制波的比較，得出交點(diǎn)，或采用微機(jī)計算方法得到門級觸發(fā)脈沖控制信號。正弦脈寬調(diào)制SPWM，調(diào)制波為正弦波，實現(xiàn)的典型方法有自然采樣PWM，規(guī)則采樣PWM，等面積PWM等方法。三電平電路中，若采用兩個正弦波與一個三角波比較，可得到雙向 dipolar 調(diào)制PWM[14]，可大大減少相間電壓的諧波。以上這些方法都可以在多電平電路中加以使用。且根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，實現(xiàn)的方法也不同。 2） 優(yōu)化PWM技術(shù) 近年來，優(yōu)化PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它是根據(jù)諧波含量，諧波畸變率（THD）最小，轉(zhuǎn)矩脈動最小等目標(biāo)函數(shù)，尋求PWM控制波形。最優(yōu)化PWM 有一般PWM 方法不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，如電壓利用率高，開關(guān)次數(shù)少及可實現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)等。優(yōu)化PWM可用于多電平逆變器，而且可利用NPC逆變器的特點(diǎn)對每個開關(guān)元件的控制規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化以提高整體性能，降低電機(jī)損耗。 3） 多電平逆變器與空間電壓矢量PWM 空間電壓矢量PWM法，是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想磁通為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)順序，形成所需的PWM 波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類似于多電平SPWM。對于三電平，五電平逆變器，開關(guān)模式容易計算，易于數(shù)字化實現(xiàn)。但隨電平數(shù)增加，開關(guān)模式的計算量劇增，而且所需內(nèi)存增加很多。由于開關(guān)模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達(dá)到消除共模電壓作用，而且對于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側(cè)電容電壓的不平衡性。 隨著多電平逆變器的出現(xiàn)，空間電壓矢量SVPWM有了進(jìn)一步的發(fā)展。比如對三電平中點(diǎn)嵌位式逆變器，選取適當(dāng)?shù)目臻g矢量組合和電壓矢量導(dǎo)通時間，可得到很逼近圓形的磁通。根據(jù)選擇矢量的不同還可以有多種SVPWM控制方案，各種方法得到的調(diào)制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起雙電平空間矢量，其矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機(jī)能獲得更好的性能。同時，其良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。 三電平逆變器存在直流側(cè)的高壓，因此對器件仍有潛在的高壓威協(xié)，可靠性受到一定的限制。另外，直流側(cè)電容電壓的均衡問題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網(wǎng)側(cè)的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術(shù)可以得到很好的結(jié)果。在某些場合（比如UPS中），多電平逆變器還可采用電流滯回控制PWM方法。 三、結(jié)論及展望 由于在功率器件研制及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面取得的突破性進(jìn)展，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)著嶄新的面貌，蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展機(jī)遇。 傳統(tǒng)大功率逆變電路由于體積大，性能差，并對電網(wǎng)產(chǎn)生較多諧波，因此應(yīng)用領(lǐng)域越來越多地受到限制。而新型多電平逆變器由于具有動態(tài)性能好，對電網(wǎng)和電機(jī)產(chǎn)生的諧波較少，可以上高壓等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的重視。當(dāng)PWM技術(shù)應(yīng)當(dāng)于多電平逆變器時，產(chǎn)生一些改進(jìn)方案，對高性能大容量逆變器的應(yīng)用起了重要作用。 目前我國電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)是以低壓、小容量調(diào)速對象為主，高壓、高效的變頻調(diào)速裝置以進(jìn)口為主。面對節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產(chǎn)高壓大功率變頻器的產(chǎn)品生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機(jī)遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術(shù)發(fā)展的過程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會馬上轉(zhuǎn)產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國是一個新興的發(fā)展中國家，盡管在老技術(shù)方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉(zhuǎn)入最新技術(shù)的開發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗，跨過他們已經(jīng)走過的路程。在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎(chǔ)上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進(jìn)國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的時機(jī)業(yè)已成熟，國內(nèi)只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量。