基于基本单元串_并_并_串_思想生成多电平变换器拓扑的方法
陈勇 叶文通 祝永华
多电平逆变器拓扑结构的优化陈勇叶文通祝永华(浙江工业大学浙西分校浙江衢州 324000)摘要：该文在研究传统的级联型多电平逆变器的基础上提出了一种多电平逆变器基本构成单元的概念，并从这一概念出发，提出了基于基本构成单元串-并、并-串思想生成多电平逆变器拓扑的方法。
以此方法得到的大量多电平逆变器拓扑，不仅涵盖了已有的基本多电平电路拓扑，而且得到一些新的拓扑结构，从而将多电平变换拓扑统一在基本构成单元的概念之内。
为了验证所得到拓扑的正确性，以串－并拓扑为例，进行了仿真和实验验证。
这一概念也为多电平逆变器新拓扑的生成提供了思路。
关键词：多电平逆变器 基本单元 拓扑中图分类号:TM464 文献标识码:ATopological Structure Optimization of Multilevel InverterChen Yong Ye Wen Tong Zhu Yong Hua（The Branch of Zhejiang University of Technology , Zhejiang Quzhou324000 ）Abstract ：:On the basis of the conventional multilevel cascade voltage source inverte，a new research clew to construct multilevel Inverter topologies is proposed, which is based on the concept of basic cells and their series-parallel and parallel-series connections. A series of multilevel converter topologies are deduced from the clew, which include the existing topologies and many new ones. To confirm the validities of the new topologies, one of them are taken as examples for simulations and experiments, and the results showed the validities. This paper provides a new direction for construction more novel multilevel converter topologies.Keywords：Multilevel Inverter，basic cell，topology1引言近年来，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。
新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略(一)
新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略
(一)
新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略
引言
•简要介绍新型多电平电压源换流器模块的背景和重要性
拓扑机制
•说明多电平电压源换流器模块的基本拓扑结构
•分析不同级数的电压源对换流器模块性能的影响
调制策略
1. 多电平PWM调制策略
•解释多电平PWM调制策略的基本原理和优势
•分析多电平PWM调制策略在不同工况下的应用情况
2. 直接功率控制策略
•介绍直接功率控制策略的原理和适用性
•讨论直接功率控制策略的优势和局限性
3. 无功功率控制策略
•阐述无功功率控制策略的基本思想和应用场景
•分析无功功率控制策略在多电平电压源换流器模块中的效果
4. 基于模型预测控制策略
•简要介绍基于模型预测控制策略的机制和原理
•讨论基于模型预测控制策略在多电平电压源换流器模块中的优势和挑战
实例应用
•提供一些实例应用场景，展示多电平电压源换流器模块的实际应用效果
结论
•总结新型多电平电压源换流器模块的拓扑机制与调制策略的研究成果和应用前景
•强调进一步研究的重点和方向
注意：以上为示例文章的框架，具体内容需要根据实际情况填充。
个人总结多电平变换器的拓扑结构和控制策略shrimplm
多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。
首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。
因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。
1 多电平变换器的拓扑结构国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。
从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种：1）二极管中点箝位型（见图1）；2）飞跨电容型(见图2)；3）具有独立直流电源级联型（见图3）；4）混合的级联型多电平变换器。
图1 二极管箝位型三电平变换器图2 飞跨电容型三电平变换器图3 级联型五电平变换器其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。
从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。
二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。
缺点是电容均压较为复杂和困难。
在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。
飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。
另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。
目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。
级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。
《2024年模块组合多电平变换器(MMC)研究》范文
《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力转换技术，已经引起了广泛的关注。
MMC以其高电压、大功率、高效率等优点，在高压直流输电、风力发电、光伏发电等新能源领域得到了广泛的应用。
本文旨在深入探讨MMC的原理、控制策略及其应用领域，为后续的深入研究提供理论支持。
二、MMC的基本原理MMC是一种采用模块化设计的多电平变换器，其基本原理是通过将多个子模块（SM）串联或并联，形成多个电平的输出电压。
每个子模块通常包括一个全桥或半桥结构，通过控制其开关状态，实现电平的切换。
MMC具有高电压、大功率、低谐波失真等优点，适用于高压直流输电、新能源发电等领域。
三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括调制策略和环流控制策略。
调制策略决定了子模块的开关状态，从而影响输出电压的电平数和波形质量。
常用的调制策略包括最近电平调制（NLM）和特定谐波消除调制（SHEM）等。
环流控制策略则是为了抑制环流（即相邻子模块之间的电流波动），以保证MMC的稳定运行。
常用的环流控制策略包括有源和无源环流控制器等。
四、MMC的应用领域MMC的应用领域十分广泛，主要包括高压直流输电、新能源发电等。
在高压直流输电领域，MMC可以用于实现大功率、高效率的电能传输，提高电力系统的稳定性和可靠性。
在新能源发电领域，MMC可以用于风力发电、光伏发电等场合，通过将多个子模块并联，实现高电压、大功率的输出，提高新能源的利用效率。
此外，MMC还可以用于电动汽车充电设施等场合，实现快速充电和高效率的电能转换。
五、MMC的研究现状与展望目前，国内外学者对MMC的研究已经取得了重要的进展。
在理论方面，已经建立了较为完善的MMC数学模型和控制策略体系，为MMC的设计和优化提供了理论支持。
在应用方面，MMC已经在高压直流输电、新能源发电等领域得到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。
多电平变换逆变电路拓扑分析
Telecom Power Technology电力技术应用多电平变换逆变电路拓扑分析汤晖斌（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江苏在众多新兴电子设备诞生后，为了满足其电路使用需求，创建了更为前沿的转换集成电路应用模式，其中最为典型的应用电路就是多电平变换电路。
该电路在应用过程中存在一定的弊病，其中基于电平钳位所引发的逆变电路问题亟需解决。
通过对多电平变换逆变电路拓扑研究背景进行阐述，分析了多种不同的多电平逆变电路拓扑多电平变换逆变电路；拓扑结构；电平钳位Topology Analysis of Multilevel Conversion Inverter CircuitTANG Huibin(Shanghai Jierui Zhaoxin Information Technology Co., Ltd., LianyungangAbstract: After the birth of many emerging electronic devices, in order to meet their circuit requirements, a more advanced application mode of conversion integrated circuits has been created, among which multilevel conversion circuits are the most typical application circuits. In the application process of this circuit, there are also some disadvantages, 2023年6月10日第40卷第11期· 73 ·Telecom Power TechnologyJun. 10, 2023, Vol.40 No.11汤晖斌：多电平变换逆变电路拓扑分析若出现3个以上的电平，则需要增加相同标称值的二极管，从而实现对电平电压的超量处理。
多电平变换器拓扑及控制技术的发展综述-精品文档
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V5 Sa1 Sb1
C1 Sa2 Ca3 Sa3 Ca2 Sb3 Cb2 Sb2 Cb3
V4
C2 Sa4 Vdc V3 Sa1' Ca2 C3 Sa2' Ca3 V2 Sa3' Sb3' Sb2' Cb3 a Ca1 Ca3 Sb4 b Cb1 Cb3
特点：大量的开关组合冗余， 可用于电压平衡控制； （一般采用相移PWM调制）
减少共模电压的滞流调节策略。使用三个独立的多电平滞流调节器来产生三套互补的 门极信号。（APEC’2019）
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3. 我们在多电平拓扑和控制方面所作的工作
3.1 提出了基于基本单元串－并（并－串）思想生成多电平变换器 拓扑的新方法
V 1 S a1 V o u t1
V1
docin/sundae_meng 图7 基于载波的多电平 PWM控制方法
1.2.2 多电平逆变器空间矢量PWM控制方法
V11(-1-11)
D
V10(0-11)
V9(1-11)
B
3
V3(001) V2(101) V8(1-10) 4 C (-1-10) (0-10) C 2 D A V0(111) A B V1(100) V4(011) (-1-1-1) V13(-111) (-100) (0-1-1) V7(1-1-1) (000) V14(-110)
V ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ c
V d c
Vd c
L o a d
Lo ad
V d c
2V dc
V d c
图5 单相级联型七电平变换器主 电路结构
多电平变换器拓扑结构和控制方法研究
多电平变换器拓扑结构和控制方法研究多电平变换器拓扑结构和控制方法研究摘要：多电平变换器作为一种应用于高压大功率变换场合的新型变换器，其电路拓扑结构和PWM控制方法是当前的一个研究热点。
基于电平箝位方式对多电平变换电路进行了分类，比较了“二极管或电容箝位”和“使用独立直流电源箝位”两类典型多电平电路拓扑结构的优缺点，并将现有的多电平PWM控制方法根据其优缺点进行了比较，指出了其适用范围。
关键词：多电平；脉宽调制；电平箝位；拓扑结构；控制策略1 引言近年来，应用于高压大功率领域的多电平变频器引起了电力电子行业的极大关注。
由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平变频器通常采用“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d v/d 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]，提出了二极管箝位式逆变电路。
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。
本文在电平箝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。
多电平变换器拓扑生成方法_220008542
多电平变换器拓扑生成方法——基本单元法电研41 吴姗姗（035307）1.概述多电平变换器作为一种适用于高压、大功率变换的电力电子电路拓扑，自上世纪80年代初被提出之后，引起了学术界和工业界的广泛关注。
至今已形成了二极管箝位型，电容箝位（飞跨电容）型，级联型等三种基本的电路拓扑结构。
在这一领域的研究当中，从多电平概念提出之初，研究者们就一直致力于其基本电路拓扑结构的研究，希望能找到多电平变换器的统一拓扑，从而使多电平变换器拓扑结构的研究更加系统化。
但是从目前的研究结果来看，这一想法是不切实际的。
浙江大学的吴宏祥博士转变研究思路，提出了基于基本构成单元的多电平变换器拓扑结构的新思路和方法，从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴内。
根据这一研究思路，不仅可以得到已有的三种基本多电平变换器拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构，从而为多电平变换器拓扑结构的研究提供了一个新的指导原则。
2.多电平变换器基本构成单元多电平电路的实现有很多方式，但是从电路原理的角度，为得到所要输出的多层电平，至少应该具有两个条件：1.在输入侧有基本的直流电平；2.需要相应的由有源和无源开关器件组成的基本变换单元，将基本电平合成实现输出的多电平。
对于第一个条件，目前获得基本电平的方式有这样几种：1.只引入一组直流母线，然后用电容进行直接分压（如图1a）；2.同样只要一组直流母线，再用悬浮的电容与之组合提供不同的电平，悬浮电容则在开关的外加控制之下由直流母线进行充电，保持所需的电压水平（如图1b）；3.直接由多组互相分立的直流源获得（如图1c）。
前两种可以认为是属于串联直流电源模型，而第三种则是属于分立直流电源模型。
电路图1a 图1b 图1c 对于第二个条件，基本变换单元的构成应该具备几个基本特性：首先，它必须是可控的，这样才能在适当的时刻进行适当的开关动作，从而按要求合成输出电平，因此它必须包含有源器件；其次，还需要无源器件和对应的有源器件成对出现且导通方向相反，以保证能量流动的连续性和双向性。
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2004年2月电工技术学报Vol.19 No2 第19卷第2期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2004基于基本单元串－并 (并－串) 思想生成多电平变换器拓扑的方法 陈阿莲何湘宁吴洪洋赵荣祥（浙江大学电气工程学院杭州 310027）摘要提出多电平变换器基本构成单元的概念，并从这一概念出发，提出了基于基本构成单元串－并（并－串）思想生成多电平变换器拓扑的方法。
以此方法得到的大量多电平变换器拓扑，不仅涵盖了已有的三类基本多电平电路拓扑，而且得到一些新的拓扑结构，从而将多电平变换器拓扑统一在基本构成单元的概念之内。
为了验证所得到拓扑的正确性，分别以串－并（并－串）的两个拓扑为例，进行了仿真和实验验证。
这一概念也为多电平变换器新拓扑的生成提供了指导原则。
关键词：多电平变换器基本单元拓扑中图分类号：TM46Multilevel Converter Topologies Based on Series-Parallel andParallel-Series Connections of Basic CellsChen Alian He Xiangning Wu Hongyang Zhao Rongxiang（Zhejiang University Hangzhou 310027 China）Abstract A new research clew to construct multilevel converter topologies is proposed, which is based on the concept of basic cells and their series-parallel and parallel-series connections. A series of multilevel converter topologies are deduced from the clew, which include the existing three topologies and many new ones. To confirm the validities of the new topologies, two of them are taken as examples for simulations and experiments, and the results showed the validities. This paper p rovides a new direction for construction more novel multilevel converter topologies.Keywords：Multilevel converter，basic cell，topology1 引言多电平变换器作为一种适用于高压、大功率变换的电力电子电路拓扑，自上世纪80年代初被提出之后，引起了学术界和工业界的广泛关注。
至今，已形成了二极管钳位型、飞跨电容型、级联型三类基本的电路拓扑结构。
在这一领域的研究当中，从多电平概念提出之初，研究者们就一直致力于其基本电路拓扑结构的研究，希望能找到多电平变换器的统一拓扑，从而使多电平变换器拓扑结构的研究更加系统化[1～3]。
然而，到目前为止还没找到涵盖所有多电平变换器拓扑结构的统一电路拓扑。
因而本文转变研究思路，提出了基于基本构成单元的多电平变换器拓扑形成的新思路和方法。
该方法不同于统一拓扑的概念，统一拓扑是通过对它进行一定的分解来得到不同的多电平拓扑，而基本构成单元思想是以基本单元为基础，通过一定的组合来得到不同的多电平拓扑，两种方法是分解与组合的相反过程。
根据本文的研究思路，不仅可以得到已有的三类基本多电平变换器拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构，从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴之内，为多电平变换器拓扑结构的研究提供了一个新的指导原则。
国家自然科学基金资助项目（59947006，50277035）。
收稿日期 2002－08－23 改稿日期 2003－12－0842 电工技术学报2004年2月2多电平变换器基本构成单元的提出我们讨论的多电平拓扑为电压型，所以所指的电平也即电压。
所谓基本单元，是指满足构成多电平变换器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条件：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。
对于前者，即基本电平的构成，只能有以下几种方法实现：①直流母线电压进行电容分压。
②悬浮电容构成电压源。
③独立电压源。
很显然，这几种方法已在现有的多电平变换器拓扑中得到了应用。
其中①对应于二极管钳位型，②对应于电容钳位型，③对应于级联型。
对于第二个条件，即能将基本电平合成，实现多电平输出的电路单元，它的构成应该具备几个基本特性。
首先，它必须是可控的，只有这样才能在适当的时刻被触发导通，按要求合成输出电平，因此它必须包含有源器件；其次，为了保证单元中能量流动的连续性和双向性，必须有无源器件和对应的有源器件成对出现，它们的导通方向应相反。
在电压型电路中，开关元件承受单向电压，流过双向电流，所以应采用逆导型开关。
图1 基本单元及其串并联组合Fig.1 Basic-cells and their series connection and parallelconnection将基本电平和电路单元相结合，就可构成多电平变换器的基本单元，图1a所示的普通两电平变换器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，为了得到多电平的输出，自然的思路就是将它们串联或并联，得到如图1b和图1c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，可以得到三个电平，V1－V2，0，V2－V1。
3 由基本单元得到的多电平变换器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。
3.1基本单元串－并得到的多电平变换器拓扑将多电平变换器基本单元分别串联，得到若干个电平数递减的部分，再将这些部分并联，从而得到如图2所示的多电平变换器拓扑。
对于该拓扑，在文献[3]中曾被提出和研究，并总结出这种电路的诸多优点。
例如，现有的二极管钳位型多电平变换器，电容钳位型多电平变换器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变换器拓扑，这些新拓扑基本上仍属于二极管钳位型和电容钳位型的变形电路；电容电压具有自平衡能力等。
本文提出的多电平变换器基本构成单元思想可进一步拓展，覆盖文献[4～6]中提出的各种拓扑结构。
同时多电平变换器基本单元还可以用三（或三以上）电平桥臂构成，仍然采用先串后并的方法。
图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变换器拓扑，同样可以得到图2 基于两电平桥臂和基本单元串－并思想的多电平变换器拓扑Fig.2 Multilevel converter topology based on two-leveland series-parallel connection第19卷第2期陈阿莲等基于基本单元串−并（并−串）思想生成多电平变换器拓扑的方法43图3 基于二极管钳位型三电平桥臂和基本单元串−并思想的多电平变换器拓扑Fig.3 Multilevel converter topology based on three-level diode clamped basic-cells and series-parallel connection 以飞跨电容型三电平桥臂作为基本单元的多电平拓扑。
更多的多电平变换器电路拓扑的生成，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，如文献[7]中的电路拓扑就是这一思路的典型应用，在这个电路中，由三电平桥臂构成三相三电平主电路，而中点钳位由一个两电平桥臂基本单元实现，根据需要将不同电平的中点电压，连接到三相三电平桥臂的中点，从而用较少的直流母线分压电平，得到了更多电平的输出电压。
3.2基本单元并−串得到的多电平变换器拓扑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变换器。
由于级联型多电平变换器具有易于模块化的结构特点，所以本文提出的基本单元的思想在其中更能充分地体现出来。
图4即为由两电平桥臂作为基本单元构成的级联型多电平变换器。
为了增加输出电压的电平数和提高波形质量，可以对每个全桥单元使用不同的直流电压。
典型的情况是按照二进制取值（V，2V，4V，…2n-1V），这样可以在输出端得到2n+1个电平的阶梯波[8], 从而用少量的级联单元实现尽可能多的电平数，降低了系统成本。
另外，不同模块可以采用不同耐压和功率等级的功率器件，如IGBT，GTO等，这样，一方面不同模块可以根据所采用器件的不同，每个模块设定不同的开关频率，另一方面，可以根据器件不同的耐压等级，每个模块采用不同电压的独立电压源，从而可以充分利用功率器件，并以较少的模块实现较多的电平输出。
基于这一思想的多电平变换器已有相关文献进行了研究，文献[9]将其称为混合型级联多电平变换器。
图4 基于两电平桥臂和基本单元并−串思想的多电平变换器拓扑Fig.4 Multilevel converter topology based on two-level basic-cells and parallel-series connection 同时多电平变换器基本单元也可以用三（或三以上）电平桥臂构成，采用先并后串的方法。
图5图5 基于二极管钳位型三电平桥臂和基本单元并−串思想的多电平变换器拓扑Fig.5 Multilevel converter topology based on three-level diode clamped basic-cells and parallel-series connection44电 工 技 术 学 报2004年2月是以二极管钳位型三电平桥臂作为基本单元，通过并串组合得到的多电平拓扑，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拓扑。
文献[10]将由任意电平的二极管钳位型全桥单元相串联所构成的拓扑称为“通用级联型变换器拓扑”，并以图6a 所示的电路进行了研究。
从本文的思路出发，可以容易得到一种新的级联型拓扑，如图6b 所示。