两电平及多电平变换器介绍
多电平逆变器简介
多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电路可靠性提高，易于模块化，适合7电平、9电平及以上的多电平应用，是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为：在上述的多电平逆变器的PWM控制法中，空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器，五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多，控制算法复杂，不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器，适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器，也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM 控制法和开关频率优化PWM控制法，则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波，因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器，载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法，可提高等效开关频率，控制效果更好。
多电平三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模大小种类很多，电压合成更加接近正弦波，所以多电平的空间电压矢量法控制进度高，输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中，此时空间电压矢量法控制算法非常复杂。
PWM．型多电平逆变器一、NPC）2优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；）3电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
多电平逆变器技术介绍
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电PWM控弦波，5电平以一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
缺点：1）每相桥臂开关器件的工作频率不同，造成了各开关器件的负荷不一致；2）对于m电平电路来说，每个桥臂需要（m-1）（m-2）个箝位二极管，即随着电平数的增加，所需箝位二极管数目将快速增加，成本增加；3）电平数越大，利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量，3个零矢量，独立的空间电压矢量有19（=1+1*6+2*6）个，60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上，2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α轴重合，逆时针旋转60°为h轴，设参考矢量，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为：归一化处理后（矢量坐标整数化），将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系，得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示：②矢量分区方法扇区的确定方法：空间矢量图可分成6个扇区（A-F），设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
模块组合多电平变换器的研究综述
模块组合多电平变换器的研究综述一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，多电平变换器作为一种高效、可靠的电力转换方式，在能源转换、电机驱动、电网接入等多个领域得到了广泛应用。
其中，模块组合多电平变换器因其模块化设计、易于扩展和维护等优点，受到了广泛关注。
本文旨在对模块组合多电平变换器的研究进行全面的综述，以期为相关领域的研究人员提供有价值的参考。
本文将介绍模块组合多电平变换器的基本原理和分类，包括其基本结构、工作原理以及常见的拓扑结构。
在此基础上，将重点分析模块组合多电平变换器的性能特点，如输出电压波形质量、效率、动态响应等，以及其在不同应用场合中的优势和局限性。
本文将综述模块组合多电平变换器的关键控制技术，包括调制策略、均压策略、故障诊断与容错控制等。
这些控制技术对于提高变换器的性能、稳定性和可靠性具有重要意义。
通过对现有研究成果的梳理和评价，本文旨在为相关研究人员提供有关模块组合多电平变换器控制技术的全面认识。
本文将展望模块组合多电平变换器的研究趋势和前景。
随着新能源、智能电网等领域的快速发展，模块组合多电平变换器将面临更多的应用需求和挑战。
本文将对未来的研究方向和潜在的应用领域进行探讨，以期为相关领域的研究和发展提供有益的启示。
二、多电平变换器的基本原理与分类多电平变换器是一种电力电子装置，其核心思想是通过产生多个不同的直流或交流电平，以实现对输出电压或电流的精细控制。
这种变换器在高压大功率应用场合中特别受欢迎，因为它能有效减少开关过程中的电压和电流应力，从而降低开关损耗，提高整体系统效率。
多电平变换器的基本原理在于利用多个独立或相互关联的电压源或电流源，生成多个不同的电平。
通过合适的控制策略，这些电平可以被有效地组合和切换，从而实现对输出电压或电流的精确控制。
与传统的两电平变换器相比，多电平变换器在电压和电流波形上更为平滑，产生的谐波分量更少，对电网的污染也更小。
中性点钳位型（NPC）：NPC多电平变换器通过在直流侧引入多个电容器，并将它们与开关管相连，形成多个电平。
三电平逆变器和两电平逆变器输出线电压波形
【三电平逆变器和两电平逆变器输出线电压波形深度分析】一、引言三电平逆变器和两电平逆变器是现代电力系统中常见的电力电子设备，在电力调制和控制方面有着重要的应用。
本文将深入探讨三电平逆变器和两电平逆变器的输出线电压波形特点，从电压波形理论、功率电子器件原理、调制技术和控制策略等方面展开分析，旨在帮助读者全面理解这两种逆变器的工作原理和优劣势，以及在实际工程中的应用。
二、三电平逆变器和两电平逆变器的工作原理1. 两电平逆变器输出线电压波形在两电平逆变器中，输出线电压波形为方波波形，其特点是波纹较多，谐波含量较高，对输出负载和电网产生不利影响。
其输出电压幅值较大，谐波含量高，容易引起线路和负载损耗增加，不利于提高系统的功率因数和电网质量。
2. 三电平逆变器输出线电压波形而在三电平逆变器中，输出线电压波形为多电平波形，其特点是具有更低的谐波含量和较小的波动，使得输出线电压更接近正弦波形。
相比于两电平逆变器，三电平逆变器具有更高的输出品质，可以显著降低谐波含量，减小输出电压的波动，有效降低系统损耗，提高系统的工作效率和稳定性。
三、电压波形的深度评估1. 电压波形的理论意义从理论上讲，输出线电压波形的质量直接影响着逆变器系统的功率质量、谐波污染和电磁兼容性。
良好的输出线电压波形能够降低系统损耗，减小谐波产生，改善系统的功率因数，提高逆变器系统的工作效率和电网质量。
2. 电力电子器件的原理在输出线电压波形形成过程中，电力电子器件的开关特性和导通能力对波形质量起着至关重要的作用。
在两电平逆变器中，电力电子器件的开关频率高、导通压降大，容易产生较多的谐波成分；而在三电平逆变器中，多电平输出的工作模式可以有效减小电力电子器件的开关损耗，提高其工作效率。
3. 调制技术和控制策略输出线电压波形的质量还与逆变器的调制技术和控制策略密切相关。
在调制技术方面，两电平逆变器多采用较为简单的PWM调制方式，难以减小谐波含量；而三电平逆变器则通过多种调制方式和控制策略，实现多电平输出，可以有效降低谐波成分，优化输出线电压波形。
多电平逆变器技术及其原理综述
多电平逆变器技术及其原理综述多电平逆变第5期蔡兴：多电平逆变器技术及其原理综述181要M-1个电容。
每相桥臂的结构必须相同，两层电容之间电压增加的大小决定输出波形中每阶电压电平高度。
比较分析，可以得到电容钳位式多电平逆变器优缺点如下。
优点：(1)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(2)逆变器电平数易扩展,电压合成方面，开关状态选择具有较大的灵活性；(3)由于电容的引进，可通过在同一个电平上不同开关组合，使直流侧电容电压保持平衡。
缺点：(1)随着电平数的增加，需要大量的钳位电容，增加了系统的成本；(2)用于纯无功负载时，可能存在飞跨电容电压不平衡；(3)对有功功率变换，高频时逆变器的控制非常复杂，同时有很高的开关损耗。
1.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式和电容钳位式多电平拓扑的提出，为利用低耐压型开关器件获得多电平高压输出提供了新思路，但同时也带来直流电容分压不平衡等一系列问题，控制也十分复杂。
为此可采用多个独立的直流电容分压，输出多个电平的方式，即有独立直流电源的级联式逆变器。
基于传统的二电平低压小容量桥式逆变器的级联多电平逆变器，采用串联若干个低压功率单元的方式来实现高电压输出，这种电路的结构和方法比较容易实现向更多电平数的扩展，产生更高电压的输出。
例如级联式五电平逆变器拓扑单臂电路，是由两个两电平H桥单元级联而成。
与二极管钳位式和飞跨电容式多电平逆变器相比较，级联式多电平逆变器拓扑不需要大量钳位二极管和飞跨电容，但是需要多个独立的直流电压源。
对于一个M电平的级联型逆变器，每一个桥臂需要(M-1)/2个独立直流电压源和2(M-1)个主开关器件。
这种拓扑可以方便地通过星形或三角形联接构成三相系统。
比较分析，可以得到级联式多电平逆变器优缺点如下。
优点：(1)无需大量钳位二极管和钳位电容，在三种多电平变换拓扑中，对于相同的电平数，所需器件最少，易于封装；(2)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(3)基于低压小容量逆变器器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于七或九电平及更高的电平应用场合。
多电平变换器前景与应用
多电平变换器前景与应用【摘要】多电平变换器是一种重要的电力电子装置，在电力系统和可再生能源领域具有广泛的应用前景。
本文从多电平变换器的工作原理、优势与特点、在电力系统中的应用、在可再生能源领域的应用以及在电动汽车充电系统中的应用等方面进行了介绍和分析。
多电平变换器能够提高能源转换效率、减少能量损耗、改善电力质量，并且具有较高的可靠性和灵活性。
未来，随着电力系统的不断发展和可再生能源的逐渐普及，多电平变换器在电力领域的应用将会进一步扩大，为推动电力行业的可持续发展做出更大的贡献。
可以预见，多电平变换器将在未来的电力系统中发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出积极贡献。
【关键词】多电平变换器、前景、应用、工作原理、优势、特点、电力系统、可再生能源、电动汽车充电系统、展望1. 引言1.1 多电平变换器前景与应用概述多电平变换器是一种重要的电力电子设备，其在电力系统和可再生能源领域中有着广泛的应用前景。
随着能源需求的增长和环境保护意识的提高，多电平变换器的重要性逐渐凸显出来。
本文将从多个方面探讨多电平变换器的工作原理、优势与特点，以及在电力系统、可再生能源和电动汽车充电系统中的应用等方面展开讨论。
多电平变换器通过控制多个电平的输出电压，可以实现对电力系统的精确控制，并且具有较高的效率和功率因数。
在电力系统中，多电平变换器可以提高电网的稳定性和可靠性，减少电能损耗，提高电能利用率。
在可再生能源领域，多电平变换器可以有效地整合不同类型的可再生能源，并提高其并网并行运行时的稳定性和可靠性。
在电动汽车充电系统中，多电平变换器可以实现对电动汽车充电速度的控制，并提高充电效率，为电动汽车的推广和普及提供支持。
通过研究多电平变换器的应用前景和发展方向，可以进一步推动电力系统和可再生能源领域的发展，实现能源的可持续利用和环境的保护。
我相信在不久的将来，多电平变换器将会在各个领域中发挥更为重要的作用，为人类社会的可持续发展做出贡献。
多电平技术讲解
通过控制H桥臂上 的V1-V4的导通与关 断，可使H桥单元输 出所需要的电压和频 率。由图7可以看出， 单个H桥单元的输出 电压Uab与四个开关 V1-V4的开关状态有 关。
图8（a)所示为该单 个H桥单元输出三电 平方式的输出波形示 意图。从该示意图中 可以看出，其输出电 平包括E，0，-E。
1调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调 速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电 平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt 较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。
表1二极管箝位型三电平逆变器工况
若要得到更多电平数，如N电平，只 需将直流分压电容改为(N-1)个串联，每 桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联，每桥 臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)个， 每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂
对应开关器件之间进行箝位，再根据与 三电平类似的控制方法进行控制即可。
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电
压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点 定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪 一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位 到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时， 二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
H级联型逆变器有如下特点
(1) 每相由多个H桥单元级联而成，逆变 器输出相电压电平数L与单元级联数目N 之间存在L=2N+1的关系。由于各功率单 元结构相同，易于模块化设计和封装； 当某单元出现故障，可将其旁路，其余 单元可继续运行，系统可靠性大大得到 了提高；
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PWM变流器简介
电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。
由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。
在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。
本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。
1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示：
图1三相电压型桥式PWM变流器
电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。
其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。
在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。
下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。
V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。
通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。
负载线电压可分别由公式求出：
Uuv=Uun-Uvn；
Uvw=Uvn-Uwn；
Uwu=Uwn-Uun
可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.
对该电路的工作原理再作如下说明：在整流运行状态下，Ua>0时，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls组成升压斩波电路。
V4导通时，Ua通过V4，VD6(或VD2)向Ls储能，当V4关断时，Ls储存的能量通过VD1向直流侧电容充电。
电路为升压斩波，若控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，容易损坏器件。
图2典型升压斩波电路（Boost Chopper）
在实际应用中，对于开关管（IGBT）的驱动控制通常采用PWM（Pulse Width Modulation）控制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含幅值和形状）。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化从而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。
图3用PWM波代替正弦半波
a）正弦半波b）脉冲序列
2.在了解两电平变流器的工作原理基础上，我们可以看出，如果需要变流器承受更高的电压，就需要选用耐压等级更高的IGBT，或者采用IGBT串联的方式。
但IGBT的电压等级不可能太高（通用电压等级为600V/1200V/1700V/3300）,IGBT 是高速器件，串联比较困难，另外采用两电平电路时di/dt较高，波形不太理想。
因此我们考虑采用多电平逆变电路。
多电平变流器的采用，不仅可以提高电压等级，而且获得了更多阶的输出电压，这将使得输出波形更接近于正弦波，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大。
下面对常见的一种三电平拓扑电路进行分析：
图4中点箝位型三电平逆变电路
逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个箱位二极管;整个三相逆变器直流侧由两个电容串联起来来支撑并均衡直流侧电压。
通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波。
以U相为例：
当V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断时，U点和O点电位差为Ud/2;
当V41和V42（或VD41和VD42）导通,V11和V12关断时，U和O点的点位差为-Ud/2；
当V12或V41导通，V11和V42关断时，U和O点电位差为0。
可以看出三电平电路的输出相电压由三种电平：±Ud/2，0；同样的的得出输出线电压有五种电平：±Ud，±Ud/2，0。
三电平拓扑的一个突出优点就是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此适合于高压大容量应用场合。
与此类似，还可以构成五电平等更多电平的电路。
3.两电平与三电平对比。
1）损耗计算：每个开关周期中，两电平输出为正、负电平，三电平输出为正、负、零电平。
因此两电平拓扑损耗较高。
2）输出谐波：输出电平台阶越多，波形越趋近与正弦波，带出的谐波越少，系统效率得以提升。
3）器件耐压：三电平中主开关承受电压为直流侧电压一半，两电平则为全部母线电压。
但是会增加使用的器件数量。
4）三电平可以降低开关频率，较少开关损耗。
骆乾2015.07.20。