大容量多电平变换器拓扑现状与进展
一种新型的模块化级联型多电平变换器拓扑结构
一种新型的模块化级联型多电平变换器拓扑结构王奎李永东郑泽东（清华大学电机系北京 100084）摘要H桥级联多电平逆变器在高压大容量变频调速领域得到了广泛的应用，其最大的不足之处是必须使用庞大、复杂而昂贵的多绕组移相隔离变压器。
为了省去传统H桥级联多电平变换器中的多绕组移相变压器，本文提出了一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑结构，该拓扑由通用拓扑结构派生而来，全部由基本单元级联而成，不需要大量独立直流电源，省去了多绕组移相隔离变压器，具有模块性强、结构简单、易于扩展等优点。
和现有的主要的多电平拓扑结构相比，随着电平数的增多，使用元件较少，更适合于五电平及以上多电平使用。
本文以五电平拓扑为例进行了研究，分析了其工作原理和悬浮电容电压平衡控制方法，仿真和实验结果验证了其可行性。
关键词多电平变换器无变压器拓扑基本单元级联悬浮电容1．引言在高压大容量变频调速领域，多电平变换器由于在提高电压等级和减小输出谐波上的巨大优势，获得了越来越广泛的应用。
虽然各种新拓扑结构层出不穷，但目前在工业上应用最多的多电平拓扑结构还是二极管箝位式和H桥级联式结构[1-2]。
二极管箝位式三电平结构在中压变频调速领域应用广泛，但受限于器件耐压等级，输出电压不能进一步提高。
若采用更高电平的话，则存在电容电压难以平衡的问题。
虽然采用背靠背结构或者增加外部均压电路能够控制电容电压的平衡[3-5]，但结构复杂，箝位二极管数量也急剧增加。
在高压变频调速领域，H桥级联式结构占有绝对的优势，不仅可以采用大量低电压等级的器件实现高压的输出，而且具有结构模块化强，使用器件最少，可靠性高，输入功率因数高，输出不需使用滤波器等优点。
其不足之处是需要使用移相隔离变压器，而且电平数越多，需要的变压器副边绕组也越多。
而多绕组移相变压器体积大，制造困难，成本也很高。
为解决移相变压器带来的H桥级联变换器的缺点，本文提出了一种新型的无变压器级联多电平变换器拓扑，它秉承了H桥级联结构模块化的优点，通过功率单元级联可以很容易地实现更高电平。
多电平变换器拓扑及控制技术的发展综述
5
1
质，电压利用率高，易于数字实现
V14(-110)
V5(010) V6(110)
(-10-1) 6 (00-1)
等，不足之处在于当电平数超过5 V18(10-1) 时 ， 算 法 过 于 复 杂 。
V15(-11-1) V16(01-1) V17(11-1)
图8 三电平逆变器空间电压矢量图
2. APEC’2002-2003中提出的新拓扑和控制方法
思想：拓扑存在着多种开关状态组合，当器件发生断路故障 时，改变开关状态组合，使发生故障的器件处于关断状态； 当器件发生短路故障时，改变开关状态组合，使发生故障的 器件处于导通状态。
图17 消谐波调制方法
(a) sp1断路故障时输出电压
(b) sp2短路故障时输出电压
图18 器件故障时的实验结果
3.4 提出基于控制自由度组合的载波PWM控制方法
图10 混合多电平变换器原理图
新的控制方法
❖一种通用的空间矢量PWM控制算法：解决了空间矢量计算的复杂性，并且该法可以 应用于任意电平的H-桥级联型多电平拓扑。（APEC’2003） ❖用于级联型多电平变换器的错时采样的空间矢量调制方法，大大减小了谐波分量。 （APEC’2003） ❖减少电流纹波的空间矢量混合PWM技术。（级联型）（APEC’2003）
3.3 提出一种具有冗余功能的多电平变换器拓扑
sp4
Dp4
Sp1 Vo
Sn1
Sp2
Sc1 Dp 1
C1 Sc2
Dn 1
Sn2
2 -Lev el
Sp3
Sc3 Dp 2
C2 Sc4
Dc1
Sc5 Dc2
C3 Sc6
Dn 2
新型电力电子变压器中的MMC与DC-DC变换器拓扑与控制策略研究
新型电力电子变压器中的MMC与DC-DC变换器拓扑与控制策略研究新型电力电子变压器中的MMC与DC-DC变换器拓扑与控制策略研究随着电力系统的快速发展，电力电子器件在电力传输和分配中的应用也越来越广泛。
特别是电力电子变压器作为变压器的一种替代技术，因其高效率、小体积和可调节的特点，受到了广泛关注。
MMC（Modular Multilevel Converter）和DC-DC变换器作为电力电子变压器的两个重要组成部分，在其拓扑结构和控制策略中有着重要的作用。
MMC是一种多电平换流器，通过将多个H桥单元级联构成，能够实现高精度的电压和电流控制。
而DC-DC变换器则通过控制开关管的通断状态，将输入的直流电压转换为输出所需的直流电压。
在新型电力电子变压器中，MMC和DC-DC变换器可以结合使用，将输入的交流电压转换为直流电压，再通过DC-DC变换器将直流电压转换为输出所需的直流电压。
这种结合使用的拓扑结构不仅可以提高电力电子变压器的性能，还可以减少谐波和电磁干扰。
在拓扑结构的选择上，MMC和DC-DC变换器可以采用串联结构或并联结构。
串联结构中，MMC和DC-DC变换器可以按照传统的串联方式连接，其中MMC用于实现电压的调节，DC-DC 变换器用于实现电压的变换；而在并联结构中，MMC和DC-DC 变换器可以通过并联方式连接，将MMC的输出电压直接输入到DC-DC变换器中进行变换。
具体选择哪种结构，需要根据实际的应用需求和系统的特点进行综合考虑。
在控制策略方面，对MMC与DC-DC变换器的控制策略进行研究是非常重要的。
对MMC的控制策略可以通过调节每个H桥单元的开关状态来实现，从而控制输出电压和电流；对DC-DC 变换器的控制策略可以通过调节开关管的通断状态来实现，从而控制输出电压和电流。
在控制时，需要考虑到电力电子变压器的快速动态响应、高精度控制和电磁兼容性等方面的要求。
在研究中，可以采用模拟仿真和实验验证的方法来验证MMC与DC-DC变换器在电力电子变压器中的拓扑和控制策略的有效性。
大功率双向DCDC变换器拓扑结构及其分析理论研究
大功率双向DCDC变换器拓扑结构及其分析理论研究一、本文概述随着能源危机和环境污染问题的日益严重，高效、可靠的能源转换和储存技术成为了当前研究的热点。
其中，大功率双向DC/DC变换器作为连接不同电压等级直流电源的关键设备，在电动汽车、分布式能源系统、微电网等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在对大功率双向DC/DC变换器的拓扑结构及其分析理论进行深入研究，为提升变换器性能、优化系统设计提供理论支撑。
本文首先介绍了双向DC/DC变换器的基本工作原理和应用背景，阐述了研究大功率双向DC/DC变换器的重要性和现实意义。
随后，对现有的大功率双向DC/DC变换器拓扑结构进行了梳理和分类，详细分析了各类拓扑结构的优缺点及适用场景。
在此基础上，本文提出了一种新型的大功率双向DC/DC变换器拓扑结构，并对其工作原理和性能特点进行了详细阐述。
为了验证所提拓扑结构的有效性，本文建立了相应的数学模型和仿真模型，对变换器的稳态和动态性能进行了深入分析。
通过实验验证了所提拓扑结构的可行性和优越性。
本文还对大功率双向DC/DC变换器的控制策略进行了研究，提出了一种基于模糊逻辑控制的优化方法，有效提高了变换器的响应速度和稳定性。
本文对大功率双向DC/DC变换器的研究现状和发展趋势进行了展望，提出了未来研究的方向和重点。
本文的研究成果对于推动大功率双向DC/DC变换器的技术进步和应用发展具有重要的理论价值和实际意义。
二、大功率双向DCDC变换器拓扑结构大功率双向DCDC变换器在现代电力电子系统中扮演着至关重要的角色，其拓扑结构的设计和优化对于提高能源转换效率、增强系统稳定性以及实现更广泛的能源管理策略具有决定性的影响。
本节将详细探讨几种常见的大功率双向DCDC变换器拓扑结构，并分析其工作原理和适用场景。
双向全桥拓扑结构是一种常见的大功率双向DCDC变换器拓扑，其通过四个开关管的控制实现能量的双向流动。
该拓扑结构具有高转换效率、低电压应力以及较宽的输入输出电压范围等优点，适用于宽电压范围变化的应用场景。
电力电子变换器的拓扑结构与性能优化
电力电子变换器的拓扑结构与性能优化电力电子变换器是现代电力系统中不可或缺的关键装置，它能将电能从一种形式转换为另一种形式，实现电力系统各个环节之间的能量传输和控制。
在电力系统中，电力电子变换器广泛应用于交流传输，直流传输，能源转换等领域，其中拓扑结构和性能优化是电力电子变换器研究的两个重要方面。
本文将着重讨论电力电子变换器的拓扑结构和性能优化，并通过对相关研究的综述和前沿进展的分析，探讨其在电力系统中的应用前景。
一、电力电子变换器的基本拓扑结构电力电子变换器的基本拓扑结构是根据电路中元器件的类型和相互连接方式来确定的。
根据元器件的类型，电力电子变换器可以分为二极管型变换器、晶闸管型变换器、绝热型变换器等；根据元器件的相互连接方式，电力电子变换器可以分为串联型变换器、并联型变换器、交叉型变换器等。
1. 二极管型变换器二极管型变换器是最简单的一种拓扑结构，它由二极管和电容组成，适用于低功率应用。
然而，由于其无法控制输出电流和输出电压，所以在高功率应用中受到限制。
2. 晶闸管型变换器晶闸管型变换器是应用最为广泛的一种拓扑结构，它由晶闸管和二极管组成。
晶闸管具有可控的导通和关断特性，可实现对输出电流和电压的控制。
晶闸管型变换器适用于中功率应用，但由于晶闸管的损耗较大，限制了其在高功率应用中的应用。
3. 绝热型变换器绝热型变换器是一种全控型拓扑结构，能够实现对输出电流和电压的精确控制。
绝热型变换器由MOSFET、IGBT或GTO等元器件组成，具有较低的开关损耗和较高的开关频率。
绝热型变换器适用于高功率应用，如高压直流输电系统。
二、电力电子变换器的性能优化电力电子变换器的性能优化是指通过优化电路参数、控制策略和拓扑结构等方面，提高变换器的性能指标，如效率、功率密度、输入电流谐波失真等。
下面将从这几个方面进行探讨。
1. 优化电路参数电力电子变换器的电路参数包括电感、电容和电阻等。
通过合理选择和设计这些参数，可以降低开关器件的损耗，提高变换器的效率和功率密度。
大容量多电平变换器拓扑-现状与进展
电机系统蒂能大容量多电平变换器拓扑一现状与进展李永东饶建业(清华大学电力电子研究所，北京100084)摘要自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广泛应用并日趋高性能化。
大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。
实现大容量变换的途径有高电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压大容量的关键。
本文对多电平变换技术的发展进行了回顾、比较以及总结，同时，还着重介绍了近几年国内外在这一领域研究的最新成果。
基于此，对大容量多电平变换技术的发展趋势进行了展望，希望对大容量多电平变换技术进一步的研究提供了一个参考。
关键词：高性能；多电平变换器；拓扑结构；高效节能T he D evel opm ent of H i gh Per f or m ance H i gh Pow er M ul t i level C onve r t e r sL i Y ong dong R ao J i anye(T s i n ghua U ni vers i t y，Bei j i ng100084)A bs t ract Si nce80s of l as t c ent ur y,w i t h t he devel o pm ent of pow er el ect r oni cs，hi gh pow er m ul t i l eve l convener s w i t h hi gh perf or m an ce hav e been w i de l y use d．G ener al l y spea ki ng，i n order t o r eal i ze hi gh pow er,hi gh-vol t a ge and／or hi i gh—cur r ent c a ll be us ed．I n appl i c at i ons，hi gh—vol t age hi gh—pow er t echnol ogy i s m ol e used，and t he key poi nt is m ul t i l eve l conver t er s．Thi s pap er s um m ar i zes t he devel opm ent of t he m ul t i l e ve lc onve r t e rs，a nd pr ese nt s t he r e cen t r ese a rc h ach i evem en t s a bout t he hi gh—vol t age m ul t i l eve l conver t er s．Fi nal l y,s o m e pr edi ct i ons of t he f ut ur e devel opm ent i n t hi s ar e a ar e gi ven，e xpec t i ng t o be he l pf ul t o t hef ut ur e re s ear c h w or k about t he hi gh-vol t a ge hi gh—pow er m ul t i l eve l conver t er s．K ey w or ds：hi gh perf or m ance：m ul t i l evel convert er s；topology：hi gh ef f i c i enc y1引言我国现有的电力系统容量虽然已经有了很大的提高，但电力紧张的现象依然严峻，而提高各类用电设备的生产效率和用电效率是解决问题的有效途径。
高压大功率变换器拓扑结构的演化及分析和比较
(a) 电压叠加原理
(b) 主电路结构
(c) 功率单元结构
图4 单元串联多电平变换器
由于不是采用传统器件串联方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以，不存在器件串联引起的均压问题。由于串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求很高。输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。
图1 多管串联的两电平变换拓扑
3.2 中点钳位型多电平拓扑结构
3.2.1 二极管钳位型多电平结构
为了解决器件直接串联时的均压问题，逐渐发展出以器件串联为基础，各器件分别控制的变流器结构。在这方面，日本学者A.Nabae于1983年提出的中点钳位型PWM逆变电路结构具有开创性的意义。单相中点二极管钳位型变流器的结构，该变流器的输出电压为三电平。如果去掉两个钳位二极管，这种变流器就是用两个功率器件串联使用代替单个功率器件的半桥逆变电路。由于两个钳位二极管的存在，各个器件能够分别进行控制，因而避免了器件直接串联引起的动态均压问题。与普通的二电平变流器相比，由于输出电压的电平数有所增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出dv/dt也相应下降，因此，中点钳位型变流器显然比普通二电平变流器更具优势。
图2 二极管钳位型三电平逆变器拓扑
图2中DA，DA′，DB，DB′为钳位二极管，分压电容C1=C2。开关管SA1，SA1′和SB1，SB1′等互补。
多电平变换器拓扑关系及新型拓扑
多电平变换器拓扑关系及新型拓扑王琛琛;李永东【摘要】多电平变换器在高压大容量电力电子及交流调速系统中已经得到了广泛应用.本文对多电平发展的历程进行了回顾,分析了多电平拓扑结构之间的联系,提出了通用多电平拓扑简化成其他多电平拓扑所要遵循的规律.在此基础上,提出了两种新的拓扑结构,并对其工作原理和控制方法进行了仿真研究.仿真结果验证了所提出的拓扑和控制方法的可行性,也进一步证明所提出的通用多电平拓扑简化规律的正确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2011(026)001【总页数】8页(P92-99)【关键词】多电平变换器;通用多电平;拓扑;内环辅助钳位【作者】王琛琛;李永东【作者单位】北京交通大学电气工程学院,北京100044;清华大学电力系统国家重点实验室,北京100084;清华大学电力系统国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TM461 引言多电平变换器从产生至今已经有近三十年的发展历史，其间产生了大量的拓扑结构。
研究多电平拓扑的目的是为了实现多电平输出，使变换器能够应用于更高电压等级的场合，提高输出电压的谐波性能。
研究各种拓扑的特点，分析并明晰各种拓扑之间的联系和区别，对于进一步研究拓扑具有重要意义。
本文首先对多电平变换器拓扑的发展做了一个回顾和讨论，整理了多电平变换器发展演变的思路，分析了多电平拓扑之间的联系，提出了通用多电平拓扑简化为其他拓扑的规律，在此基础上提出两种新的多电平拓扑结构，并对其工作原理和控制策略进行了仿真研究。
2 基本拓扑2.1 三极单元变换器实现多电平的最简单直接的方法就是构造一个多级直流电压源串联，且每级都有可控的独立输出通路，如图1a 所示。
这样的思想早在文献[1]中就已经被提出来。
但是受当时开关器件发展水平的限制，文章中采用反并联的晶闸管来实现这个开关的功能，晶闸管不能关断的缺点造成了不同等级电压通路之间的换流过程极其复杂，大大增加了控制的难度。
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Ｊ。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限
制，传统二电平逆变器的变换装置难以满足高压大 功率电能变换的要求。相比之下，多电平变换器及 其相关技术，具有诸多显著优点，被业界认为在高
２００８年第９期电’技玳ｌ
７
电机系统节能
２０％。远期中高压变频器市场份额将不断提升至４０ ％左右。目前国内变频器市场销售大约为每年５００－－－ ７００万ｋＷ，国外品牌占据了绝大部分市场，国产变 频器所占市场份额不超过３０％。 在“十五”期间，电力工业投资规模达到８０００ 亿元左右，是国民经济发展的先行行业，为变频器 在行业的应用提供巨大的发展机遇。行业变频器应 用主要集中在风机与泵类应用，呈现为单机功率较 大的特点。国民经济的快速发展和其他行业的技术 进步迫切要求交流变频技术的快速提升。 此外，在轧钢、造纸、水泥、煤炭、港口、船舶 等工业领域中广泛使用大中容量交流电机调速系统。 要解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工 具（电力机车，城市地铁和轻轨），其核心也是高性 能、大容量交流电机变频调速技术。大容量交流变频 调速已在实际生产应用中取得了良好的效果和显著 的经济效益。下一步的趋势是，交流变频调速技术除 了实现“按需供能”，即在满足电机速度、转矩和动 态响应要求的前提下，尽量减少输入的能量外，仍然 还有进一步节能和提高效率的潜力，这就是将生产机 械中的制动能量进行存储再利用或直接回馈电网，实 现电机的四象限运行。为了实现这一目的，人们对各 种高压变频器的主电路拓扑结构的研究进一步深入。 同时，以ＤＳＰ为代表的智能控制芯片迅速普及，也 为高压变频调速技术打下了坚实的基础。 本文将对国内外最新提出的大容量变频器主电 路拓扑结构进行综述研究，并在此基础上，从进一 步提高系统效率的角度，对大容量变频器技术的发 展方向加以深入探讨。
鹫踊磬髂
四廊廓
图５单相Ｈ桥串联五电平变换器拓扑结构
将图５中具有公共端的三组Ｈ桥逆变电路用三 电平ＮＰＣ逆变器代替，可构成图６（ａ）所示的多电平 拓扑，由三电平ＮＰＣ逆变器的一个桥臂和Ｈ桥逆 变电路两部分组成。其中三电平ＮＰＣ逆变器提供主 要的基波电压和大部分输出功率，称之为主逆变桥； Ｈ桥逆变电路提供辅助的改善波形的电压和小部分 输出功率，称之为辅助逆变电路。从逆变器的开关 模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图５所示 的拓扑结构是等效的。区别在于三电平ＮＰＣ逆变器 需要的直流电容少一个，而且只需要一个直流电源 供电，但是增加了６个箝位二极管。主逆变桥和辅 助逆变电路的输出均为３电平，因此将该拓扑结构 的逆变器称为３／３主从式混合多电平逆变器。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ；ｔｏｐｏｌｏｇｙ：ｈｉｇｈ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
１
引言
我国现有的电力系统容量虽然已经有了很大的
压大容量领域中具有广阔的应用前景【１１。 国内变频器市场的总体状况是，变频器的应用领 域相当广阔，几乎涵盖国民经济的各个行业，尤其建 材、冶金、食品、机械、造纸、水行业等对变频器的 需求较大，其中冶金行业的应用数量占到１１．５％的比 重。另外，一些行业设备ＯＥＭ成套率很高，行业特 点是使用功率偏小，同一规格使用量巨大，配套厂商 众多，容易形成系列化产品，主要行业有纺织（包括 化纤）、暖通与空调、楼宇自控、印刷与包装等，以 上行业变频器的设备成套率相当大，同时也是各品牌 变频器厂家争夺的重点所在。国家支柱产业的项目一 般都较大，采用变频器的功率较大，变频器单位价值 较大，行业发展迅速，变频器使崩苗巨大，其前景发 展相当乐观。据调查顶测，中国的变频器市场总的潜 在市场应为１２００～１８００亿元，目前低压变频器占市 场份额的８０％左右，中高压变频器约占市场份额的
８
ｌ鼍１＆意２００８年第９期
电机系统符能
３．２级联型结构的改进
在１９９８年的ＩＥＥＥ ＡＰＥＣ会议上Ｍ．Ｄ．Ｍａｎｊｒｅｋａｒ
等人提出了混合７电平逆变器的拓扑结构Ｉｌ ０１，与传 统Ｈ桥级联多电平的拓扑结构相似，不同之处在于 采用了不同电压等级的直流电源，以及两种类型的 功率器件ＧＴＯ和ＩＧＢＴ，如图６所示。这种拓扑基 本思路是通过“特殊”调制方法将两个等级不同的直 流电压混合组成７电平输出，主要优点是综合利用
２传统的多电平变换器结构
２．１单一直流电源多电平变换器的发展现状及特点 单一直流电源箝位型拓扑足从最初的二极管箝 位型，电容跨接筘位型，二极管和电容混合箝位型， 后来发展到彭方正综合前面几种筘位型结构，提出 的通用型结构。从技术上说，箝位型结构实际上可 分为两类：通用型结构（见图１）及其各种简化和 派生结构１２４】。 虽然通用型拓扑本身能实现电容电压自平衡ｐＪ， 但所用器件众多，成本太高，同时对各器件和系统 控制可靠性也有较高的要求，因此无法实用，目前 为止只是一个具有理论意义上的拓扑，也许将来构 成这种拓扑的大功率器件实现了集成模块化，以及 价格降低以后，有可能使之实用。
ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｓｐｅａｋｉｎｇ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｈｉｇｈ
ｐｏｗｅｒ，
ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ／ｏｒ
ｈｉｉｇｈ—ｃｕｒｒｅｎｔ
ｃａｌｌ
ｂｅ ｕｓｅｄ．Ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｍｏｌｅ
图１通用型拓扑结构
在通用箝位型拓扑的基础上，国内浙大的何湘 宁教授提出了一种具有冗余功能的多电平拓扑方案 初步设想，图２是五电平变换器的一相拓扑。这个 拓扑保留了靠近直流母线的两个桥臂的电容串，增 加了两个可控开关１６】。
囊蓬。西醒 萝雾
图２具有容错能力的通用型拓扑结构改进
ห้องสมุดไป่ตู้
采用这种拓扑之后，增加的可控开关不但用于 箝位和平衡作用，在出现故障的时候，还可以根据 需要来实现所需电平，增加了冗余度，达到了容错 的功能。这个拓扑的优点是不但对中间电平有容错 功能，而且对最高和最低电平也有容错能力，这样 可以在一定程度上保持电平数不变的容错。不过这 个拓扑太过复杂，使用的开关管数目过多，并不是 很实用，而且当最右边的桥臂的开关管出现故障时， 会使其原有优势不复存在。 目前，应用于大容量的实用化拓扑，基本上为典 型的二极管箝位型三电平逆变器，且主要是国外产品， 如ＡＢＢ的ＡＣＳｌ０００、ＡＣＳ６０００，带输出ＲＬＣ滤波器 的高压变频器，Ａｌｓｔｏｍ（采用ＨｖＩＧＢＴ）、Ｓｉｅｍｅｎｓ（采 用ＨＶＩＧＢＴ／ＩＧＣ可）、ＡＳＩ－－Ｒｏｂｉｃｏｎ也有类似产品１７】。 ２．２独立直流电源多电平变换器的发展现状及特点 多电平变换器的主要目的之一是为了采用低耐压 器件输出高压，为了避免器件直接串联带来的动态均 压问题，也可以采用多个电气独立的直流电容分压， 输出多个台阶的电平，即具有独立直流电源的级联型 变换器。在所有的桥式级联型拓扑中，最基本的是Ｈ 桥串联结构，图３为这类Ｈ桥串联电路的两相结构图。
（ａ）
（ｂ）
图４异步电机开绕组双端供电示意图
图６已有的混合型多电平结构
２００８年第９期电＿技术Ｉ
９
电机系统节能
国内华中科大的邹云屏教授对混合级联型逆变 器也有相应研究，将一个三电平单相逆变桥与一个两 电平Ｈ桥逆变电路串联组成一相可构成如图６（ｂ）所示 的逆变电路。三电平单相逆变桥部分的输出为五电 平，Ｈ桥逆变电路的输出为三电平，因此将该拓扑结 构的逆变器称为５１３主从式混合多电平逆变器１１３－１５１。 ３．３带储能单元的混合多电平拓扑结构 近些年，由丁二能源危机的逐步加重，人们对于 大功率交流传动系统中能量利用效率方面的要求也 越来越高，不少学者开始研究如何利用多电平单元 进行能量存储及再利用。 在轨道交通、轧钢、矿井提升等众多应用领域， 需要大容量交流电机的频繁起制动和加减速运行， 会有大量的能量同馈，传统的方法是采用制动电阻 将其消耗掉，或采用复杂的能量同馈装置。文献【１６】 归纳出一种基本能量存储单元拓扑结构如图７所 示，该拓扑由一个多电平变换器和储能电容构成。 当瞬时功率需求较大时，由储能电容提供尖峰功率， 并且在制动回馈时吸收尖峰功率。
电机系统蒂能
大容量多电平变换器拓扑一现状与进展
李永东饶建业
（清华大学电力电子研究所，北京 摘要
１０００８４）
自２０世纪８０年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广
泛应用并日趋高性能化。大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。实现大容量变换的途径有高 电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压 大容量的关键。本文对多电平变换技术的发展进行了回顾、比较以及总结，同时，还着重介绍了 近几年国内外在这一领域研究的最新成果。基于此，对大容量多电平变换技术的发展趋势进行了 展望，希望对大容量多电平变换技术进一步的研究提供了一个参考。 关键词：高性能；多电平变换器；拓扑结构；高效节能 Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ
３混合型多电平变换器结构
由于传统的单一直流源多电平变换器在三电平以 上就很难控制电容电压的平衡，而独立直流源多电平 随着级联单无数目的增加，输入变压器的体积和成本 也不断增加。为了克服以上两类多电平结构各自的缺 点，同时，考虑综合利用他们的优点，目前，越来越 多的研究朝着混合型多电平拓扑结构的方向在发展１８】。 ３．１双端供电式级联型多电平逆变器 １９８９年日本学者ＩｓａｏＴａｋａｈａｓｈｉ首先提出了将电机 的定子绕组打开，由两个逆变器从绕组两端分别供电 的拓扑结构，见图４，这种结构能够提供较多的电平数， 降低开关损耗的同时产生更少的电压、电流谐波【９ｌ。
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｅａ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｅｘｐｅｃｔｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ