不同电压比的混合多电平逆变器拓扑和控制策略分析
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。
m3c 交交变频拓扑和控制
m3c 交交变频拓扑和控制M3C交交变频拓扑和控制引言：M3C交交变频拓扑和控制是电力电子领域中一种重要的变频技术，广泛应用于工业控制和电力传输领域。
本文将介绍M3C交交变频拓扑的基本原理和控制策略，以及其在工业和电力系统中的应用。
一、M3C交交变频拓扑的基本原理M3C交交变频拓扑是一种基于多电平电压源的交流交流变频器拓扑，能够有效地改善变频器的输出性能。
该拓扑结构包括两个互补的H 桥逆变器和一个电容。
其中，H桥逆变器通过控制开关管的开关状态，将直流电压转换为交流电压。
而电容则用于平衡电压波形和减小电压谐波。
具体来说，M3C交交变频拓扑利用两个互补的H桥逆变器分别控制正负半个周期内的电压输出。
在每个周期内，正负两个H桥逆变器交替工作，实现了交流交流转换。
通过适当的控制策略，可以实现高质量的交流输出电压。
二、M3C交交变频拓扑的控制策略M3C交交变频拓扑的控制策略主要包括电压平衡控制和电压矢量控制两个方面。
1. 电压平衡控制电压平衡控制是通过调节电容电压来实现的。
在M3C交交变频拓扑中，电容的电压波形应当保持平衡，以确保输出电压的质量。
为了实现电压平衡控制，可以采用基于电压比较的控制策略，通过调节H桥逆变器的开关状态，使得电容电压保持在预定范围内。
2. 电压矢量控制电压矢量控制是为了实现高质量的交流输出电压而设计的。
通过控制H桥逆变器的开关状态，可以实现对输出电压的精确控制。
常用的电压矢量控制策略包括空间矢量调制和直接矢量控制。
空间矢量调制通过调节开关频率和占空比来实现对输出电压的控制；直接矢量控制则通过直接控制输出电压的幅值和相位来实现。
三、M3C交交变频拓扑的应用M3C交交变频拓扑在工业和电力系统中有着广泛的应用。
1. 工业应用M3C交交变频拓扑在工业控制中常用于驱动电机和控制变频器。
由于其高质量的输出电压和较低的谐波含量，可以有效地提高电机的效率和控制精度。
此外，M3C交交变频拓扑还具有较高的可靠性和可扩展性，适用于各种工业场景。
多电平逆变器的工作原理、控制方法以及仿真
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
h桥级联多电平逆变器电路拓扑
h桥级联多电平逆变器电路拓扑H桥级联多电平逆变器电路是一种多电平逆变器拓扑结构，常用于电力电子领域，特别是在高功率、高效率、低失真要求的应用中。
它可以将直流电源转换为多个不同电平的交流电源，从而满足不同负载的需求。
让我们了解一下H桥逆变器的基本原理。
H桥逆变器是由四个开关器件（通常是MOSFET或IGBT）组成的桥式电路。
通过控制这四个开关器件的导通和截断，可以实现将直流电源的正负极性反转，从而产生交流电信号。
这种逆变器结构具有较高的灵活性和可控性，适用于许多不同的应用。
而H桥级联多电平逆变器电路是在传统H桥逆变器的基础上进行了改进和扩展。
它通过将多个H桥逆变器级联连接，实现了输出电压的多电平控制。
每个H桥逆变器都可以独立地控制输出电压的大小和极性，从而实现了更加精确的输出控制。
这种多电平的输出控制可以带来许多优势。
首先，它可以提供更高的输出电压分辨率，从而提高了系统的动态响应性能。
其次，它可以减小输出电压的谐波含量，降低了变频器对负载的干扰。
此外，多电平控制还可以提高逆变器的效率，减少能量损耗。
H桥级联多电平逆变器电路在实际应用中具有广泛的用途。
例如，在电力系统中，它可以用于高压直流输电和柔性直流输电等领域。
在交通运输领域，它可以用于电动汽车、混合动力汽车和高速列车等电动化交通工具。
此外，它还可以应用于可再生能源发电系统、工业控制系统和电力电子设备等领域。
总结起来，H桥级联多电平逆变器电路是一种重要的电力电子拓扑结构，可以实现多电平的输出控制，提高系统的性能和效率。
它在电力系统、交通运输和工业控制等领域具有广泛的应用前景。
随着电力电子技术的不断发展和创新，相信H桥级联多电平逆变器电路在未来会发挥更加重要的作用。
混合级联式多电平逆变器的原理与控制
不 宜采 用 低 速 开关 器 件 ， Ｇ Ｏ等 ； 是 所需 的 如 Ｔ 二 独立 直 流 电源的 电压较低 ，不 能采 用低 频 高耐 压 的开关 器件 ，同时所 需 的独立 直流 电源的数 目较 多。 这就 限制 了这 种多 电平逆变 器 的使用范 围 ， 也 不利 于提 高输 出电压 、 大功率 和降低 成本 。 扩 本文
两 个含 义 ： 是可 以采用 不 同功率 ， 同开 关器件 一 不 和不 同 直流 电源 电压 的 ２ 桥 （ ３ Ｈ 或 Ｈ桥 ） 串联叠 加 ； 是可 以采 用 ２ 二 Ｈ桥 与 ３ Ｈ桥 进行 混合 串联叠 加 。前者 为高 压大 功率低 速 开关 器件 的应用 创造 了条 件 ，后者 为减 少独 立直流 电源 的数 目开辟 了
文章 编号 ：２ ９ ２ １ （ ０ ７）８ ０ ０ — ８ ０ １—７ ３２０ ０ —０ １０
０ 引言
具有 独立 直 流 电源 的 ２ Ｈ桥 级 联式 多 电平逆 变器 ， 采用 的是 相 同开关 器 件 （ 同的开 关 管 、 相 相
主要用于提高输出电压 、 扩大功率 ， 低压中功率高 频开关器件主要用于改善输 出电压的波形 ，既提
一
＼
电平数为ｌ ３ ］ ＼百 的直流电 １ ２ 压。除此之外还可
以采 用 相 同直 流 电压 、 递 增 与 ３倍 递 增 的直 ２倍
流电压混合应用 ， 称为 １ 、 倍与 ３ 倍 ２ 倍混合递增
的直流 电源 电压 ， 以增加 电平数 。 为 了得 到较好 的频率 特性 ，在级 联 多 电平 逆 变器 的各个输 出电压 电平 上需 要进行 Ｐ ＷＭ 调制 ， 从 而 在 整 个 合 成 输 出 电 压 电 平 上 实 现 完 全 的 Ｐ ＷＭ 调 制。而 当采 用 ２ 递增 或 ３ 递增 或混合 倍 倍 递增 直流 电源 电压 的 串联 叠 加时 ，基 于输 出多 电
多逆变器并联的均流控制策略
多逆变器并联的均流控制策略多逆变器并联的均流控制策略是指通过将多个逆变器连接在一起并联运行，实现电流的均匀分配和控制的一种技术手段。
在实际应用中，多逆变器并联可以提高系统的输出功率和可靠性，同时还可以降低每个逆变器的负载和温度，延长其使用寿命。
多逆变器并联的均流控制策略可以分为硬件控制和软件控制两种方式。
硬件控制主要通过电路设计和元件选择来实现，而软件控制则主要通过算法和控制策略来实现。
在硬件控制方面，可以采用电流传感器和电流分配电路来实现逆变器之间的电流均衡。
电流传感器可以实时监测每个逆变器的输出电流，并将其反馈给控制器。
控制器根据反馈信号调整每个逆变器的输出功率，使其输出电流保持在设定值附近。
电流分配电路则根据每个逆变器的输出电流大小来调整其输出电压，以实现电流的均衡分配。
在软件控制方面，可以采用分布式控制算法和通信协议来实现逆变器之间的协调控制。
分布式控制算法可以将整个并联系统划分为多个子系统，并为每个子系统分配一个控制器。
控制器之间通过通信协议进行数据交换和协调，以实现逆变器之间的电流均衡。
常用的通信协议包括CAN总线、Modbus和Ethernet等。
除了硬件控制和软件控制，还可以采用自适应控制算法来实现逆变器之间的电流均衡。
自适应控制算法可以根据系统的运行状态和负载情况，动态调整每个逆变器的输出功率和电流分配策略，以实现最佳的电流均衡效果。
多逆变器并联的均流控制策略在实际应用中具有广泛的应用前景。
它不仅可以提高系统的输出功率和可靠性，还可以降低每个逆变器的负载和温度，延长其使用寿命。
同时，多逆变器并联还可以实现系统的容错能力，当其中一个逆变器发生故障时，其他逆变器仍然可以正常工作，保证系统的稳定运行。
总之，多逆变器并联的均流控制策略是一种有效提高系统性能和可靠性的技术手段。
通过合理选择硬件和软件控制方式，并采用自适应控制算法进行优化，可以实现逆变器之间的电流均衡，提高系统的整体性能和可靠性。
三电平变频器
摘要随着近年来对高质量，高可靠性电源系统的需求不断发展，生产的总电能中，越来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后，再用于民用、工业或军事的需要。
而逆变器是对电能进行变换和控制的一种关键器件，具有输出高质量电压波形的能力。
高性能数字信号处理器（DSP）的飞速发展，使数字化逆变器系统成为今后发展的潮流。
本文主要对NPC三电平逆变器系统进行了分析和研究：1．以中点钳位式三电平逆变器的基本拓扑结构为基础，阐述了三电平逆变器的运行机理。
2．在两电平逆变器基础上详细研究了三电平逆变器中空间电压矢量调制技术的基本原理，提出了一种采用最近三矢量法合成参考矢量的空间矢量脉宽调制算法，给出了小三角形区域判断规则、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量作用顺序和作用时间以及开关信号的产生方法。
由于中点电位的不平衡是二极管钳位式三电平逆变器运行过程中比较严重的问题，本文分析了不同矢量对中点电位的影响，并得出通过对成对小矢量的作用时间分配能够控制中点电位的结论。
逆变器控制系统在控制策略上采用电压型PWM逆变控制，并用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A、XILINX公司的CPLD芯片XC95144XL、相应的驱动电路和高速数据采集电路等实现这种闭环控制。
另外，本文还通过MATLAB仿真软件对基于空间矢量调制的SVPWM波控制的二极管钳位式逆变器进行了仿真，对逆变后的电压和电流波形以及波形谐波畸变率进行了分析,并验证了三电平逆变器较两电平逆变器的优越性。
关键词：DSP;逆变;二极管钳位式;SVPWM;仿真AbstractIn recent years, with high quality, high reliability of power system needs cons tant development, the production of total power, more and more power must pass power electronic technology transformation of energy, then for civilian use, industrial and military needs. And inverter is electric transformation and control of a key components, with high quality output voltage waveform ability. High-performance digital signal processor (DSP) rapid development, make the digital inverter system become the trend of development in the future.This paper mainly to the NPC three-level inverter system analysis and research: 1. The halfway point in the ground-clamp type three-level inverter based the basic topological structure, this paper expounds the three-level inverterThe operation mechanisms.2. In two level inverter based on a detailed study of the three-level inverter in space voltage vector modulation technology,The basic principle, put forward a kind of the last three vectorsynthesis method of vector space vector reference pulse width modulation calculate Method, gives small triangle area judge rules, synthetic reference voltage vector corresponding output voltage vector function Order and function and switch time signal generation method.Due to the halfway point of the potential imbalance is the ground-clamp diode type three-level inverter in the process of operation is a relatively serious problem, this paper analyzes the different vector to point the influence of the electric potential, and that the pair small vector by the role of the distribution of time to control the halfway point of the potential conclusions. Inverter control system control strategy in the voltage source PWM inverter control, and the DSP TMS320LF2407A TI company, XILINX company XC95144XL CPLD chip, the corresponding drive circuit and high speed data acquisition circuit to realize the closed-loop control. In addition, this paper also through MATLAB simulation software based on space vector modulation of the wave to control of diode SVPWM embedded a type inverter is simulated, and the inverter to the voltage and current waveform and waveform harmonic distortion rate is analyzed，And verify the three-level inverter is two level inverter superiority.Keywords: DSP；inverter；diode embedded type；space vector；simulation目录第一章绪论 (3)1.1课题研究背景及意义 (3)1.2研究现状及特点 (4)1.3拓扑结构选择 (5)1.4本文的主要目的、任务、技术指标及主要内容 (8)第二章二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计 (10)2.1二极管钳位式逆变电路拓扑 (10)2.2逆变器工作状态分析 (11)第三章三电平SVPWM简化控制算法 (13)3.1引言 (13)3.2基于参考电压分解的SVPWM简化算法 (14)3.2.1两电平统一电压调制算法 (14)3.2.2三电平SVPWM简化算法 (17)3.2.3三电平SVPWM与SPWM的统一 (18)第四章中点平衡 (23)4．1中点电位不平衡的原因 (23)4．2三电平逆变器中点电压波动分析 (24)4．2．1 三电平逆变器中点电压波动定性分析 (24)4．2．2 对三电平逆变器中点电位波动的定量分析 (25)第五章三电平逆变器的硬件设计 (28)5.1系统构成 (28)5.2主电路设计 (29)5.2.1母线电容的选择 (29)5.2.2功率器件的选择 (29)5.2.3变压器的选择 (30)5.2.4输出滤波器设计 (32)5.3控制电路设计 (33)5.3.1TMS320LF2407A简介及特点 (34)5.3.2、CPLD接口电路 (39)5.3.3 SVPWM波形的产生 (39)5.4、采样电路设计 (42)5.5驱动电路设计 (45)5.6其他外围电路设计 (48)第六章系统软件设计 (52)6.1计算模块 (52)6.2主控制程序及中断程序设计 (54)第七章三点平逆变器的仿真..................... 错误!未定义书签。
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡研究
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
SVPWM是一种先进的空间矢量调制技术，通过将一个采样周期内的三个电压矢 量分配到两个开关器件上，可以获得与常规PWM相比更高的调制效率和更好的输 出波形质量。对于三电平NPC逆变器，SVPWM控制策略的关键是选取合适的调制方 式、脉宽调制参数和中点电位控制策略。
中点电位平衡研究
中点电位的影响主要有以下几个方面：
中点电位平衡研究
1、输出波形质量：中点电位不平衡会导致输出波形畸变，产生谐波污染；
中点电位平衡研究
2、开关器件的可靠性：中点电位不平衡会导致开关器件承受电压增大，降低 其可靠性；
中点电位平衡研究
3、系统的稳定性：中点电位不平衡会影响系统的稳定运行，可能导致系统振 荡甚至崩溃。
结论与展望
结论与展望
本次演示对三电平NPC逆变器SVPWM控制策略及中点电位平衡问题进行了深入 研究，提出了一种有效的控制方法。实验结果表明，该方法可以有效提高逆变器 的性能和可靠性。然而，在实际应用中仍存在一些问题需要进一步探讨，例如如 何进一步优化脉宽调制参数和中点电位平衡控制策略，以获得更好的输出波形质 量和系统稳定性。
三电平NPC逆变器SVPWM控制策略
电流跟踪控制参数也是SVPWM控制策略的重要组成部分。本次演示采用PI （Proportional-Integral）控制器来实现电流跟踪控制，通过调节PI控制器的 参数，达到快速跟踪输出电流的目的。
中点电位平衡研究
中点电位平衡研究
中点电位平衡问题是三电平NPC逆变器运行过程中的一个关键问题。中点电位 的平衡与否直接影响到逆变器的性能和可靠性。中点电位的产生原因是逆变器两 个半桥中点电压的差值，它可能会导致半桥电容充放电不平衡，进而影响逆变器 的正常工作。
多逆变器并联的均流控制策略
多逆变器并联的均流控制策略多逆变器并联的均流控制策略引言：随着电力系统规模的不断扩大和能源资源的日益稀缺，使用可再生能源逐渐得到人们的重视。
太阳能和风能是两种最常见的可再生能源，它们的不确定性和间断性给电力系统的运行带来了挑战。
多逆变器并联系统是利用太阳能和风能发电的一种常见方案，它可以通过有效控制逆变器的运行状态来实现多逆变器之间的均流控制，保证系统的稳定性和可靠性。
一、多逆变器并联系统的基本原理多逆变器并联系统是指将多个逆变器连接在一起，共同向电网馈送能量。
每个逆变器都会将直流电能转换为交流电能，并通过连接电网的变压器将能量馈送到电网中。
多逆变器并联系统的优势在于提高了系统的功率密度，降低了单个逆变器的负载和故障风险，同时增加了系统的可靠性。
二、多逆变器并联系统的均流控制原理在多逆变器并联系统中，逆变器之间的输出电流需要保持一致，以实现均流控制。
均流控制的目的是减小逆变器之间的功率不平衡，提高系统的性能和效率。
常见的实现均流控制的方法有以下两种：1. 静态均流控制：静态均流控制是通过改变逆变器的参数来实现的，例如调节电压、频率等。
逆变器之间的输出电流可以通过调节这些参数来使得其保持一致。
但是静态均流控制方法需要精确的参数调节，对系统和逆变器的动态响应要求较高。
2. 动态均流控制：动态均流控制是通过控制逆变器的开关状态来实现的。
多逆变器并联系统中，每个逆变器都会根据电网的需求进行功率调整，而并联的逆变器之间需要相互协调以保持均流。
动态均流控制通过逆变器之间的通信和协调，实时调整并联逆变器的功率输出，以实现均流控制。
在动态均流控制中，电流控制器可以实时监测系统的电流状态，并根据需要调整各个逆变器的输出功率。
通过逆变器之间的通信和协调，可以实现逆变器之间的电流均衡。
三、多逆变器并联系统的均流控制策略多逆变器并联系统的均流控制策略包括两个方面：逆变器间的通信与建模和多逆变器均流控制算法。
1. 通信与建模：在多逆变器并联系统中，逆变器之间需要实现通信与协调。
多电平(7电平)级联H桥逆变器的控制
Subsystem 4 HA 3
Conn1 PA3 Conn2
Subsystem 7 HB 3
Conn1 PB3 Conn2
Subsystem 11 HC3
Conn1 PC3 Conn2
图4-1 主电路图
1）采用载波移相调制 产生脉冲的模块（以A相为例）如图4-2，B、C相只需将其中的调制波依次移 相 120 即可。
L1 L4 L5 R1 R4 R5
HA 1
Conn1 PA1 Conn2 PB1
HB 1
Conn1
HC1
Conn1 PC1
Conn2
Conn2
HA 2
PA1 Conn1 PA2 PA2 Conn2 PA3 PB3 PB2 PB2 PB1
HB 2
PC 1 Conn1 PC 2 Conn2 PC 3
HC2
U N max 3E U Nmin 3E
每相电压可以实现的电平数m为：
（2-2）
m [(U N max U N min ) / E ] 1 7
可实现的电平数集合为：
3E、 2 E、 E、 0、 E、 2 E、 3E
（2-3）
对于三相交流系统，可将送三个单相H桥连接成三角形或星形接法。当逆变 器连接成三角形时，线电压等于相电压，线电压的电平数和电平集合都与相电压 的分析结果相同；当连接成星形时，线电压为两相电压的差值，等效为2N个功率 单元输出电压的叠加。此时可以得到3个H桥单元串联线电压电平数 m' 为：
<= -1 Constant 2 Product 2 Relational Operator 5
3 PA3 NOT Logical Operator 5
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不同电压比的混合多电平逆变器 拓扑和控制策略分析
江友华，曹以龙，龚幼民
（上海大学自动化系，上海２０００７２）
［摘要］多电平变换器是近年来高压、大功率应用领域的一个研究热点，其相应的ＰＷＭ控制方法是一个重要的研究方
向。本文针对级联型多重化需要很多独立的直流电压源的缺点，提出一种按照最大延伸定理来分配不同电压比的控制方
（Ｃａｓｃａｄｅｄ－－ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｅｐａｒａｔｅ ＤＣ
ｓｏｕｒｃｅｓ）。其中第３种拓扑结构发展前景比较大，在国外被称为
“完美无谐波”变换器。因为这种拓扑结构具有以下优点：①使用串联的方法可以将耐压低、开关频率也 不高的功率器件直接应用到高压大功率场合；②由于电路基于单元串联结构，每个单元的控制逻辑都是 独立的，从而解决了中点钳位逆变电路在电平数增加时，开关逻辑越来越复杂的问题；③由于各单元互相 隔离，串级电路结构不存在静、动态均压问题。然而串级电路结构的缺点也比较明显，即电路的每个基本 单元都要用一个独立的直流电源来实现钳位功能。虽然使用单独的直流电源可以使电路的各个单元彼 此隔离，从而解决单元串联时的动态均压和电压钳位问题，但随着电平数增加，串级电路单元使用的直流 电源数也将大量增加，从而使系统变的复杂。本文在现有的多电平级联型逆变器基础上给出了一种新的 控制策略，即按照参考文献Ｅ１］中所述的最大延伸定理，在不同的Ｈ桥中使用不同的电压，这样就可以不 增加直流电源数，而增加输出电压电平数和提高电源质量。
［收稿日期］２００３—１２一０３ Ｉ［修改稿收到日期］２００４一０１一０５ ［基金项目］上海市搏士建设基金（ｋ０７） ［作者简介］江友华（１９７４一），男，江西南城人，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
４８０
一
（１）
《冶金自动化））２００４年增刊
图１
Ｈ桥多重化拓扑结构
到增加，因此波形质量在原有基础上可以进一步得到提高。
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１，
‰（ｉ－－１）一ｊ詈南Ｕ耐，卢１，２，…，Ｐ
（２）
啦为第ｉ号单元Ｈ桥电平数量，一般可以产生＋Ｖｄ。、０、一Ｕ三个电平。ｚ为电压相序。
图２为级联型二重化混合多电平拓扑结构。其中图２左桥功率开关元件为ＩＧＣＴ或者Ｇ１、Ｏ，图２右 桥功率开关元件为ＩＧＢＴ。由于ＩＧＣＴ和ＧＴＯ等功率器件耐压值高，但是开关频率低，ＩＧＢＴ具有高开 关频率，高开关频率时可以降低谐波，可是ＩＧＢＴ的容量远小于ＩＧＣＴ和ＧＴＯ等高压大功率器件，因此 采用这种不同电压比的控制策略可以发挥这两类器件的长处［３］。在耐压高的ＩＧＣＴ或ＧＴＯ单元上施加 两倍或三倍于ＩＧＢＴ单元的电压，则可以在输出端得到更多的电平输出。因为如果每个直流电压都取相 同值（Ｖａｃｎ—Ｖａｃ泣一Ｅ），那么变换器只输出５个电平［４］，但假如按照式（２）关系取电压值（Ｕｃｘｌ一３Ｕｃｘ２— ３Ｅ），则可以得到９个电平。
混合级联多电平二重化主电路拓扑结构输出线电压仿真波形。图３（ｄ）为Ｖ也一４Ｖ捌一４Ｅ的混合级联
多电平二重化主电路拓扑结构输出相电压仿真波形。
时间ｔ／ｓ （ａ）电压比为１：１
时间夙 （ｂ）电压比为１：２
时间珧 （ｃ）电压比为１：３ （ｄ）电压比为１：４
图３混合拓扑不同电压比时输出电压仿真波形
从图３的输出电压仿真波形对比中可以看出，在不增加直流电源数的情况下，按照最大延伸定理分 配直流电压比率，可以增加输出电压电平数，但从图３（ｄ）可以看出，如果电压比为１：４时，输出电平数 并没有比电压比为１：３的电平数增加，反而此时电平中会有超过１Ｕ。（单位电平）的跳变现象出现，因此 在实际中要合理分配电压比率，在提高输出电平级数的情况下，尽量防止过高的ｄｒ／ｄｒ出现，一般取值为 １：２或者１：３的电压比率为宜。 ［参考文献］
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ｓｙｓｔｅｍ：Ａ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓ
Ｉｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０００，４４（５）：７４—７９．
［３］齐悦，杨耕．基于多电平变换逆变电路的拓扑分析口］．电机与控制学报，２００２，１６（２）：７４—７９． ［４３张仲超，何卫东．移相式ＳＰＷＭ技术——一种新概念［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），１９９９，３３（４）：３４３－－３４８．
［编辑：耿秀梅］
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另外ＧＴ０的电压等级虽然比较高，但也是有限度的，所以不能设置为任意的电压比，这一点可以从后面 的仿真结果中看出。
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《冶金自动化》２００４年增刊 ３仿真结果及结论
本仿真是采用ＭＡＴＬＡＢ软件得到的。下面就不同直流电压比情况下的输出电压仿真波形进行分
析。其中电压为１Ｕ的ＩＧＢＴ单元，ＰＷＭ载波频率为２
图２不同电压比的级联型多电平混合主电路拓扑
既然直流电压比可以设定为１：２或１：３，那么是否还可以设定为１：４或者更高来增加输出波形中 的电平数呢？事实上如果将电压比设为１：４或更高时，不仅不能增加输出波形中的电平数，而且还会有
超过１Ｋ（单位电平）的跳变，这样造成的ｄｖ／ｄｔ变大，电磁干扰增加，这也是在实际中不希望看到的‘３｜。
１主电路拓扑结构
图１是常用的多重化拓扑结构。这种结构可以根据所需要的功率和电压的要求来决定Ｈ桥单元的 串联个数。图中每一相由ｐ个独立直流电源的Ｈ桥单元构成。如果每个单元直流电压取相同值（如
‰一ＵＫ一砜刚ｉ一１，２，…夕），则相电压可以用下面公式来表示：
％一∑ｋｉ
式中，ｚ为电压相序，分别表示口，ｂ，ｃ；为变换器中点。 由图１可以看出，单元的电压等级和串联数量决定变频器的输出电压，单元的额定电流决定了变频 器的输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是整个功率单元串联，因此不 存在器件串联引起的均压问题。但由于串联的功率单元较多，所以对功率单元本身可靠性要求很高。 ２控制策略 图１中各个独立直流电源都取相同的电压值，但是如果按照最大延伸定理［１￣２３来选取电压值，即各 个直流电源不是取相同值，而是按照式（２）来选取，主电路拓扑做相应的变换，其输出电平数量就可以得
Ｅ１］Ｋ Ａ Ｃｏｒｚｉｎｅ，Ｓ Ｄ Ｓｕｄｈｏｆｆ．Ｈｉｇｈ
ｓｔａｔｅ ｃｏｕｎｔ
ห้องสมุดไป่ตู้
ｐｏｗｅｒ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ：Ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＥＭ］．Ｉｓ １］：ＳＡＥ
Ｔｒａｎｓ，Ｊ Ａｅｒｏｓｐ，１９９８：１２４－－１３５．
０００
Ｈｚ，调制度为１，另外一个ＧＴＯ单元采用基
波调制，每个Ｖａ。一Ｅ＝６９０ Ｖ，输出频率为５０ Ｈｚ，但图中电压值坐标采用单位量，即数值１就表示一个单
位量Ｅ。图３（ａ）为Ｖａ。ｄ一砜。也一Ｅ的二重化主电路拓扑结构（注：此时电路全部采用ＩＧＢＴ开关管，采用 ＰＷＭ调制，其它电压比的电路拓扑结构采用图２所示拓扑）的输出电压仿真波形；图３（ｂ）为Ｕ。。－一 ２Ｕ。站一２Ｅ的混合级联多电平二重化主电路拓扑结构输出电压仿真波形；图３（ｃ）为砜。ｄ一３Ｖｄ。也一３Ｅ的
式，可以在不增加直流电压源的情况下，增加输出电平数量，从而提高波形质量，减少谐波。最后通过仿真加以验证和分
析。
［关键词］多电平逆变器；移相ＳＰＷＭ技术；拓扑 ０
引言 近年来，在高压大功率应用场合，特别是在电力系统、冶金自动化等领域，一种新型的多电平变换器
受到越来越多的关注。从目前所见到的各种主电路拓扑结构来看，最终可归结为３种基本的拓扑结构： ①二极管箝位（Ｄｉｏｄｅ—ｃｌａｍｐ）；②飞跨电容（Ｆｌｙｉｎｇ—ｃａｐａｃｉｔｏｒ）；③具有独立直流电源的级联逆变器