多電平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及仿真優(yōu)化

1、多電平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及仿真優(yōu)化摘 要:近年來，在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域多電平功率變換技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，成為電力電子領(lǐng)域中學(xué)者研究的熱點。與傳統(tǒng)逆變器相比多電平逆變器的主要缺點需要很多開關(guān)器件，但是由于電壓在開關(guān)器件或單元模塊的平均分配，可采用低耐壓的功率器件，所以多電平逆變電路并沒有在開關(guān)方面成本增加。本文在電平鉗位基礎(chǔ)上對多電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類，分析了幾種典型多電平電路拓?fù)涞膬?yōu)缺點。對幾種多電平電路的PWM控制方法進(jìn)行了比較分析，討論了各種方法適用的主電路結(jié)構(gòu)。主要是在研究傳統(tǒng)級聯(lián)多電平、混合級聯(lián)多電平、飛跨電容型多電平逆變電路、二極管鉗位級聯(lián)多電平的基礎(chǔ)上，提出了一種基于基本

2、單元組合的多電平逆變電路設(shè)計方法。根據(jù)本文的研究思想，不僅可以得到已有的多電平逆變電路的拓?fù)洌铱梢酝茖?dǎo)得到一系列新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而將多電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究統(tǒng)一在基本結(jié)構(gòu)單元的范疇之內(nèi)，并結(jié)合PSpice軟件仿真分析。關(guān)鍵詞：多電平；電平鉗位；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；級聯(lián)式；基本單元組合The multilevel inverter circuit topology structure and simulation optimizationAbstract：In recent years, the high pressure high-power application field multilevel

3、power transformation technology is received extensive attention, become the power electronic field scholars research hot spot. Compared with the traditional inverter multilevel inverter the main disadvantage need many switching device, but because the voltage in switching device or unit of the modul

4、e average distribution, can use the low voltage power components, so the multilevel inverter circuits and not in the switch of increased cost.In this paper based on the clamping level of multilevel inverter circuit topology structure are classified, and analyzes some typical multilevel circuit topol

5、ogy advantages and disadvantages. Several of the circuit of multilevel PWM control methods were compared and analyzed, and the method is discussed a wide main circuit structure. Mainly in the study of traditional cascade multilevel, mixed cascade multilevel, diodes clamping cascade multilevel was pu

6、t forward on the basis of a basic unit based on the combination of multilevel inverter circuit design method. According to this paper the research idea, not only can receive the existing multilevel inverter circuit topology, and can be a series of new topological structure is derived and the topolog

7、ical structure of the multilevel inverter unified in basic research structure unit within the category, and combined with MATLAB software copy.KeyWords：The multilevel; Level the clamping; The topological structure; Cascade; The basic unit目 錄第1章 緒論11.1 多電平逆變技術(shù)概述11.2多電平逆變技術(shù)進(jìn)展與現(xiàn)狀41.3 研究目的41.4多電平逆變器的應(yīng)用5

8、第二章 多電平逆變電路的主電路拓?fù)浞治?2.1 二極管或電容鉗位的多電平逆變電路拓?fù)?2.1.1二極管箝位型多電平逆變電路的工作原理82.1.2 二極管鉗位式多電平逆變電路102.1.3電容懸浮式多電平逆變電路122.1.4電容電壓自平衡式多電平逆變電路132.2 飛跨電容型多電平逆變電路142.2.1 飛跨電容型多電平逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理142.2.1 飛跨電容型多電平逆變電路的優(yōu)缺點162.3 級聯(lián)式多電平逆變電路162.3.1 級聯(lián)型多電平逆變電路的結(jié)構(gòu)和工作原理172.3.2 H橋逆變單元172.3.3 對稱全橋逆變電路182.3.5 混合電路串聯(lián)逆變電路192.3.4 級聯(lián)型多電平

9、逆變電路優(yōu)缺點212.3 本章小結(jié)22第三章 基于基本單元的級聯(lián)式多電平逆變電路233.1基本單元的介紹233.2由基本結(jié)構(gòu)得到的多電平逆變拓?fù)?33.3 功率單元串聯(lián)級電平逆變電路263.4 本章小節(jié)27第四章 仿真研究284.1 仿真平臺284.2 仿真及結(jié)果284.3 本章小節(jié)30結(jié) 論31致 謝32參考文獻(xiàn)33湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文第一章 緒 論近年來，在大功率應(yīng)用領(lǐng)域多電平功率變換技術(shù)得到了很廣泛的應(yīng)用。成為電力電子領(lǐng)域?qū)W者研究的熱點。大量新型的拓?fù)浜拖鄳?yīng)調(diào)制策略的產(chǎn)生，使多電平技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。1.1 多電平逆變技術(shù)概述近年來，應(yīng)用于高壓大功率領(lǐng)域的多電平逆變器引起了電力電子

10、行業(yè)的極大關(guān)注。由于受電力電子器件電壓容量的限制，傳統(tǒng)的兩電平逆變器通常采用“高低高”方式經(jīng)變壓器降壓和升壓來獲得高壓大功率，或采用多個小容量逆變單元經(jīng)多繞組變壓器多重化來實現(xiàn)，這使得系統(tǒng)效率和可靠性下降。因而，人們希望實現(xiàn)直接的高壓逆變技術(shù)?；陔娏﹄娮悠骷苯哟?lián)的高壓變頻器對動靜態(tài)的均壓電路要求較高，并且輸出電壓高次諧波含量高，需設(shè)置輸出濾波器。多電平逆變電路的提出為解決上述問題取得了突破性的進(jìn)展。 多電平逆變器的一般結(jié)構(gòu)是由幾個電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。這種逆變器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形的諧波含量減小，開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力減小，無需均壓電路，可避免大的dv/d

11、t所導(dǎo)致的電機(jī)絕緣等問題。1977年德國學(xué)者Holtz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路，1980年日本的A.Nabae等人對其進(jìn)行了發(fā)展1，提出了二極管鉗位式逆變電路。Bhagwat和Stefanovic在1983年進(jìn)一步將三電平推廣到多電平的結(jié)構(gòu)2。多電平逆變器主要應(yīng)用在高壓大功率電機(jī)調(diào)速、無功補償、有源濾波等領(lǐng)域。在過去二十多年里，研究者們進(jìn)行了大量的研究和探索，提出了多種高壓大功率變換的解決思路和方法，歸納起來大致可分為以下四類：(1)功率器件的串并聯(lián)技術(shù)這是一種最簡單和直接的方案，為了用小功率的開個器件實現(xiàn)大功率變換，將器件串聯(lián)以承受高壓，將器件并聯(lián)以承受大電流，

12、這個看似簡單的方法，由于功率器件參數(shù)的離散性，雖好增加；而器件均流，對于具有負(fù)溫度系數(shù)的功率器件來說是一件相當(dāng)困難的事情。同時，對于器件串并聯(lián)，驅(qū)動電流的要求也大大提高，要求延遲時間接近，并盡量短。在管段過程中，由于恢復(fù)性能的差異，輸了眾多的吸收電路也是必不可少的，降低了系統(tǒng)的可靠性，并且這一方案對輸出電壓諧波該收沒有任何貢獻(xiàn)，因而應(yīng)用范圍受到一定的局限。(2)逆變器并聯(lián)技術(shù)逆變器并聯(lián)技術(shù)是將多個小容量的逆變器并聯(lián)運行，并聯(lián)逆變器的數(shù)目可以根據(jù)系統(tǒng)需要的容量來確定。這種方法的優(yōu)點是:易于實現(xiàn)逆變器模塊化，可以靈活擴(kuò)大逆變系統(tǒng)的容量。易于組成N+1個并聯(lián)冗余系統(tǒng)，提高運行的可靠性和系統(tǒng)的可維護(hù)性

13、。逆變器并聯(lián)技術(shù)的難點是需要從控制電路上解決電壓同步、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流、N+1冗余與熱切換三大技術(shù)。(3)組合逆變器相移SPWM技術(shù)組合相移SPWM技術(shù)，其基本思想是：在一個由n個模塊（每個模塊就是一個普通的兩電平逆變器）組成的系統(tǒng)中，所有模塊采用相同的調(diào)制波，但相鄰的模塊的三角載波相位相差2/（nKc），（其中Kc是三角載波與調(diào)制波的頻率比）。這一相位差使得各模塊所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使各模塊最終迭加輸出的SPWM波形的等效開關(guān)頻率提高到原來的nKc倍，因此可在不提高開關(guān)頻率的條件下，大大減小輸出諧波。從廣義上說，相移SPWM組合逆變器，也是一種多重化技術(shù)。不同于上面所述的輸出

14、電壓多重化，這里采用是三角載波的多重化，因此簡化了輸出變壓器的設(shè)計。圖1.1（a）、（d）所示的為幾種電壓型相移SPWM組合逆變器的拓?fù)?。圖1.1（a）、（b）所示為并聯(lián)型逆變器，通過電流的疊加實現(xiàn)諧波抵消，能夠提供較大的輸出電流，但在各逆變器單元交流側(cè)的電流諧波未被抵消。其中有中線回路的結(jié)構(gòu)中含有三次及其倍數(shù)次諧波，因而需要更大的電感濾波。圖1.1（c）所示的串聯(lián)型逆變器通過電壓疊加實現(xiàn)電流中諧波的抵消，逆變器單元的交流側(cè)電流諧波較小，所需的濾波電感比并聯(lián)型的逆變器更小。圖1.1（d）所示為并聯(lián)型的串聯(lián)型的組合方式。 （a）有中線回路的并聯(lián)型逆變器 （b）無中線回路的并聯(lián)型逆變器 (c)串聯(lián)

15、型逆變電路 （d）并串逆變型電路圖1.1 電壓型相移SPWM組合逆變器拓?fù)湎嘁芐PWM組合逆變器的優(yōu)點為：可采用開關(guān)頻率較低的大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)等效的高開關(guān)頻率輸出，開關(guān)損耗低，輸出諧波含量小，減小了輸出濾波元件的尺寸和容量，簡化了變壓器的設(shè)計。缺點為：仍然需要工頻變壓器，增加了系統(tǒng)的損耗和成本，沒有減小功率器件的電壓應(yīng)力。(4)多電平逆變器技術(shù)多電平逆變器技術(shù)是一種通過改進(jìn)逆變器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高壓大功率輸出的新型逆變器，它無需升降壓變壓器和均壓電路。由于輸出電壓電平數(shù)的增加,使得輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小。多電平逆變器技術(shù)已成為電力電子學(xué)中以高壓大功率

16、變換為研究對象的一個新的研究領(lǐng)域。多電平逆變器之所以成為高壓大功率變換研究的熱點，是因為它具有以下突出優(yōu)點。(1）每個功率器件僅承受一的母線電壓為電平數(shù)，所以可以用低耐壓的器件實現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動態(tài)均壓電路。(2）電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，減小了輸出電壓波形畸變（THD）。(3）可以較低的開關(guān)頻率獲得和高開關(guān)頻率下兩電平逆變器相同的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗小、效率高。1.2多電平逆變技術(shù)進(jìn)展與現(xiàn)狀自1980年日本學(xué)者A.Nabse提出三電平中點鉗位式逆變電路以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)已行成鉗位式和級聯(lián)型兩大類多種樣式的多電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3。近年來許多學(xué)者致力于探索新型的多電

17、平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如1998年M.D.Manjrdkar等提出了基于不同電壓等級的級聯(lián)型混合多電平逆變電路4，浙江大學(xué)的陳阿蓮、何湘寧等提出了一種改進(jìn)級聯(lián)型多電平逆變拓?fù)?，王學(xué)華提出了一種單相復(fù)合式三電平逆變器6等，豐富了多電平逆變電路的拓?fù)湫问健Ｓ诖送瑫r，人民也在不斷尋找通用的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Keith Corzine等人提出了級聯(lián)型多電平電路的統(tǒng)一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)7，為了設(shè)計和構(gòu)造新型多電平逆變電路拓?fù)涮峁┮环N新的思想。但目前仍然未能形成構(gòu)建多電平逆變拓?fù)湎到y(tǒng)性理論和方法。1.3 研究目的近年來，世界各國都非常重視中高壓功率變換技術(shù)的研究。是當(dāng)前電力電子技術(shù)最新發(fā)展動向之一。其中多電平逆變電

18、路的拓?fù)鋬?yōu)化是其中最受關(guān)注的話題之一。由于傳統(tǒng)的逆變電路輸出的PWM脈沖波電平數(shù)很少，因此存在很高的電壓變化率和共模電壓，而且波形諧波含量較大。為了解決這一些問題，發(fā)展各種多電平逆變電路已成為現(xiàn)在發(fā)展的重點。目前中高電壓等級（2-10KV、500-40000KW甚至更高）的變頻器不像低壓變頻器那樣成熟，具有抑制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于目前功率器件的電壓耐量和高壓使用的矛盾，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣。也是因為功率開關(guān)器件的耐壓滿足不了中、高壓變頻器的需要，多電平逆變電路的拓?fù)鋬?yōu)化研究更具有研究發(fā)展前景8。比如高-低-高結(jié)構(gòu)的體積大、成本高、效率低、可靠性低、低頻時能量傳輸困難；單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)必須有笨

19、重的輸入變壓器進(jìn)行高壓分割、使用開個器件太多、控制復(fù)雜等缺點更堅定了多電平逆變電路拓?fù)鋬?yōu)化的研究目的。多電平逆變器相對于普通雙電平逆變器更適合大容量、高電壓的場合，而且可產(chǎn)生M曾梯形輸出電壓，對階梯波在做調(diào)節(jié)可以得到很好近似的正弦波，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波型、諧波含量很小，電磁干擾問題大大減輕，效率高而且多電平逆變電路可用較低頻率進(jìn)行開關(guān)動作，開關(guān)頻率低，損耗小，效率提高。多電平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究對于解決逆變器在高壓領(lǐng)域的不足有很大的實際意義，發(fā)展多電平逆變電路不僅可以彌補傳統(tǒng)的雙電平逆變電路在高壓逆變領(lǐng)域的缺陷，而且可以補充高-低-高結(jié)構(gòu)、交交變頻、單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)

20、的不足。多電平逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究是逆變器發(fā)展中的研究核心，是未來高壓逆變領(lǐng)域的熱點和發(fā)展中心。1.4多電平逆變器的應(yīng)用多電平功率逆變器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,包括電力系統(tǒng)中的無功功率補償、大功率的電力傳動和可再生能源系統(tǒng)等。具體介紹如下：(1）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中高壓大電機(jī)變頻調(diào)速是多電平逆變器應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，在大電機(jī)調(diào)速中，傳統(tǒng)的兩電平高頻逆變器存在以下幾個問題：輸出電壓的電流，除了基波分量外，還含有一系列的諧波分量，這些諧波會使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，使轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)周期性的波動，從而影響電機(jī)平穩(wěn)運行和調(diào)速范圍。在中壓場合，提高頻率一定程度上可以克服上述某些缺點，但又容易導(dǎo)致較高的dv/dt和

21、浪涌電壓，在電機(jī)的線圈中產(chǎn)生很大的共模電壓，這樣可能會導(dǎo)致電機(jī)軸承故障和轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿，而且開關(guān)器件所產(chǎn)生的電壓應(yīng)力和開關(guān)損耗將降低電機(jī)效率，同時產(chǎn)生很高的EMI(10KHZ-30MHZ)，將干擾周圍電子設(shè)備，高電壓等級更是受到限制，功率因數(shù)低。而多電平逆變器工作在工頻時，可在一定程度上克服上述幾個問題。將多電平逆變器用于高壓變頻器領(lǐng)域，不但可以提高逆變器的電壓等級，還可以減少逆變器輸出端的諧波含量和開關(guān)損耗，提高功率因數(shù)，動態(tài)性能穩(wěn)定和效率高等，在高壓大容量交流調(diào)速領(lǐng)域日益收到重視，是目前較理想的高壓變頻方式，該方式工作原理是利用多電平功率逆變器疊加合成正弦電壓波形，隨著電平數(shù)的增加，合成

22、階梯波形分級越多，合成的電壓畸變越小。其優(yōu)點是可使用常規(guī)低壓功率開關(guān)器件實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)，并從根本上解決諧波及EMI問題，還可避免較高的dv/dt導(dǎo)致電動機(jī)損壞9。(2）靜止無功補償器無功補償作為靈活交流輸電技術(shù)的一個重要組成部分，一直是國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。無功補償經(jīng)歷了早期的基于并聯(lián)補償原理的常規(guī)靜止無功補償器,即晶閘管投切電容器（TSC）和晶閘管控制電抗器之后，隨著現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用與新穎功率變換電路及控制技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了新型無功補償裝置：靜止調(diào)相機(jī)（STATCOM）。STATCOM是按照調(diào)相機(jī)的原理，由新型大功率固體電子元件構(gòu)成的可調(diào)節(jié)逆變器、直流電容器組和輸出變

23、壓器等組成的無轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的靜止無功補償裝置，核心是電壓源逆變器（VSI）。由于具有上述優(yōu)點，F(xiàn).Z.Peng首次提出級聯(lián)多電平STATCOM概念以來，并引起了廣泛關(guān)注。1999年，世界上首臺級聯(lián)多電平STATCOM工業(yè)裝置在英國East Clayton變電站投入運行，其容量為75Mvar10。這標(biāo)志著級聯(lián)多電平STATCOM技術(shù)已進(jìn)入實用化階段。(3）有源電力濾波器電能質(zhì)量的改善是電力系統(tǒng)面臨的一項重要課題。在眾多諧波治理方案中,有源電力濾波器（APF）可以起到瞬時補償電力系統(tǒng)諧波、無功功率、電壓波動、負(fù)序等作用，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究。然而，要實現(xiàn)大容量的諧波補償，需要APF具有較大的裝置容

24、量。由于目前電力電子器件容量、價格及其串并聯(lián)技術(shù)等的限制,裝置容量大勢必使初始投資大，并且大容量還將帶來大的損耗、大的電磁干擾以及制約APF的動態(tài)補償特性等問題，從而限制了APF的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，多電平逆變器在高電壓領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,特別是在減小電網(wǎng)諧波方面有著非常良好的應(yīng)用前景。清華大學(xué)的李永東教授研制出級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)APF。浙江大學(xué)的張仲超教授將相移SPWM技術(shù)應(yīng)用于級聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)APF，器件開關(guān)頻率僅為600HZ，取得了很好的濾波效果。美國田納西大學(xué)的F.Z.Peng等人采用二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)，研制出統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，濾波之后系統(tǒng)電流的THD僅為3%。清華大學(xué)的韓英鐸教授

25、采用二極管箝位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研制出并聯(lián)電能質(zhì)量補償器器。實驗結(jié)果表明，該濾波器的性能明顯優(yōu)于普通兩電平APF。(4）高壓直流輸電（HVDC）在遠(yuǎn)距離輸電（跨地域輸電），非周期輸電（非同步）的電力系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)方面,高壓直流輸電優(yōu)于交流輸電，同時直流輸電節(jié)省金屬材料的用量（少一根輸電線），直流輸電需要構(gòu)造超大功率的整流和逆變裝置。級聯(lián)型多電平變流器輸出電壓的相位和幅值便于調(diào)節(jié)和控制，而且輸出電壓的諧波含量低,并有很高的可能性，,再加上其模塊化設(shè)計的簡單結(jié)構(gòu)，因此在高電壓級別的高電壓直流輸電中也得到較多的應(yīng)用。如巴西伊太普HVDC工程運行電壓最高為600KV，輸送功率為3100MW，線路長8000

26、KM，它代表當(dāng)今水平。它代表當(dāng)今HVDC水平。我國葛洲壩一上海南橋500KV，輸電工程建設(shè)中也用了該項技術(shù)。在高壓變頻器領(lǐng)域，多電平技術(shù)還將在未來很長一段時間里占居明顯優(yōu)勢。在無功補償、有源濾波器、高壓直流輸電領(lǐng)域，采用多電平拓?fù)涞墓I(yè)裝置將慢漫進(jìn)入實用化階段。隨著高壓大容量電力電子裝置需求的日益加大，多電平技術(shù)作為電力電子技術(shù)的核心技術(shù)之一，將對中國電力系統(tǒng)未來的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用,而且其產(chǎn)業(yè)化也展示了誘人的前景。運用多電平技術(shù)來改造傳統(tǒng)的電力工業(yè)，使之更好地為現(xiàn)代社會服務(wù)是一個具有現(xiàn)實意義和極具發(fā)展?jié)摿Φ墓ぷ鳎彩请娏ο到y(tǒng)科技工作人員面臨的重大課題和挑戰(zhàn)。第二章 多電平逆變電路的主電路

27、拓?fù)浞治龆嚯娖侥孀兤骶褪前讯鄠€功率器件按一定的拓?fù)湟?guī)律連接起成可以提供多種電平輸出的逆變電路，再使用適當(dāng)?shù)倪壿嬁刂茖⒍鄠€電平臺階合成階梯波以逼近正弦輸出電壓。世至今已提出多電平逆變電路的多種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較為廣泛的幾種有以下三大類。 (1）二極管或電容箝位的多電平逆變電路拓?fù)洌ǘO管箝位式、電容懸浮式、電容電壓自平衡式3種。(2）飛跨電容型多電平逆變電路。 (3）級聯(lián)型多電平逆變電路。2.1 二極管或電容鉗位的多電平逆變電路拓?fù)?.1.1二極管箝位型多電平逆變電路的工作原理二極管箝位型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。其結(jié)構(gòu)特點是利用多個二極管對應(yīng)相應(yīng)的開關(guān)元件進(jìn)行箝位，解決了功率器件串聯(lián)的均

28、壓問題。輸出線電壓電平數(shù)NL、電容個數(shù)NC與相電壓電平數(shù)NP的關(guān)系為：NL=2NP-1 (2.1) NC=NP-1 (2.2)以二極管箝位型五電平逆變器單臂電路分析，分壓電容C1=C2=C3=C4，因此VC1=VC2=VC3=VC4；每相橋臂有8個開關(guān)器件S1-S8串聯(lián)，每4個開關(guān)器件同時處于導(dǎo)通或者關(guān)斷狀態(tài)，其中（S1,S5）、（S2,S6）、（S3,S7）、（S4,S8）為互補工作的開關(guān)對，也即當(dāng)其中的一個開關(guān)導(dǎo)通時，另一個一定關(guān)斷，反之亦然，DC1、DC1'、DC2、DC2'、DC3、DC3'為箝位二極管。五電平逆變器的輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)之間關(guān)系如表2.1所示。表

29、2.1 五電平逆變器的輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系輸出電壓開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4S5S6S7S8Vdc/211110000Vdc/401111000000111100- Vdc/400011110-Vdc/200001111注：表中“1”表示開關(guān)器件導(dǎo)通狀態(tài)，“0”表示開關(guān)器件關(guān)斷狀態(tài)。圖2.1二極管箝位型五電平逆變器單臂電路對于n電平的二極管箝位型逆變器拓?fù)?，每個橋臂需要（n-1）個直流分電壓容，2(n-1)個主開關(guān)器件，（n-1）（n-2）個箝位二極管11。通過組合三個相同的但比電路，利用相同的分壓電容，可以容易得到三相電路，如圖2.2所示。在傳統(tǒng)的二極管箝位型多電平逆變器中，當(dāng)電平數(shù)超

30、過三時，箝位二極管因需要阻斷多倍電平電壓，通常由多個相同標(biāo)稱值的二極管串聯(lián)。例如在圖2.1中，DC1由魚需要阻斷兩倍的電平電壓，它由三個相同的二極管串聯(lián)；DC2'和DC2需要阻斷兩倍的電平電壓，它們分別由兩個相同的二極管串聯(lián)，DC3需要阻斷三倍的電平電壓，它由三個相同的二極管串聯(lián)。圖2.2二極管箝位型五電平三相逆變器主電路2.1.2 二極管鉗位式多電平逆變電路二極管箝位式多電平逆變電路的特點是采用多個二極管對相應(yīng)的開關(guān)器件進(jìn)行箝位，同時利用不同的開關(guān)組合輸出所需的不同電平。圖2.3是二極管箝位式5電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有4個電容，能輸出5電平的相電壓，線電壓為9電平。對于M電平電路

31、，直流側(cè)需M1個電容，能輸出M電平的相電壓，線電壓為(2M1)電平。它的輸出電壓和輸出電流的總諧波畸變率都大大減小。這種結(jié)構(gòu)有顯著的優(yōu)點，即利用二極管進(jìn)行箝位，解決了功率器件串聯(lián)的均壓問題。但是，二極管箝位式多電平變頻器也有如下缺點。 (1）雖然開關(guān)器件被箝位在Vdc/(M1)電壓上，但是二極管卻需要不同倍數(shù)的Vdc/(M1)反向耐壓。如果使二極管的反向耐壓與開關(guān)器件相同，則需要多管串聯(lián)，如圖2-4(a)所示，其數(shù)目為(M1)(M2)/2，當(dāng)M很大時，增加了實際系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。 (2）當(dāng)逆變器只傳輸無功功率時，電容器在半個周期內(nèi)由相等的充電和放電來平衡電容電壓。但是當(dāng)逆變器傳輸有功功率時，由于

32、各個電容的充電時間不同，將形成不平衡的電容電壓。 圖2.3 二極管鉗位式五電平逆變電路上述的二極管箝位式多電平逆變電路中的二極管承受電壓不均勻，若按照最大值選擇則造成浪費，如果多管串聯(lián)又會產(chǎn)生均壓問題。因此，在1999年Xiaoming Yuan提出了一種新的結(jié)構(gòu)12，如圖2.4(b)所示。它的器件個數(shù)和開關(guān)控制的方法（a） 二極管串聯(lián)鉗位 （b）二極管自鉗位圖2.4 二極管鉗位的新結(jié)構(gòu)和原來的結(jié)構(gòu)完全相同，只有二極管的放置位置不同。該結(jié)構(gòu)不但將開關(guān)管的電位箝位在單個電容電壓，而且箝位二極管也被箝位在單個電容電壓以內(nèi)，從而解決了箝位二極管承受電壓不均的問題。2.1.3電容懸浮式多電平逆變電路在

33、1992年，T.A.Meynard和H.Foch提出了如圖2.5所示結(jié)構(gòu)13。它的特點是箝位二極管被箝位電容所代替，直流側(cè)電容不變，其工作原理與二極管箝位式逆變器相似。M電平逆變器可輸出M電平相電壓，(2M1)電平的線電壓。圖2.5 電容懸浮式五電平逆變電路這種結(jié)構(gòu)相對于二極管箝位式逆變器的優(yōu)點是： (1）在電壓合成方面，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性。 (2）由于電容的引進(jìn)，可通過在同一電平上不同開關(guān)的組合，使直流側(cè)電容電壓保持均衡。 (3）可以控制有功功率和無功功率的流量，因此可用于高壓直流輸電。 但是，這種拓?fù)湟灿腥秉c： (1）對于這種結(jié)構(gòu)，M電平的逆變器每個橋臂就需要(M1)(M2)/

34、2個電容，再加上直流電源的M1個電容，大量的電容使得系統(tǒng)成本高且封裝不易。 (2）控制方法非常復(fù)雜，實現(xiàn)起來很困難。 (3）存在電容的電壓不平衡問題。2.1.4電容電壓自平衡式多電平逆變電路這種結(jié)構(gòu)是2000年由Peng Fangzheng首次提出的14，是以電容箝位的半橋結(jié)構(gòu)為基本單元組成的。多級電路是由基本單元按金字塔結(jié)構(gòu)形成的。圖2.6為5電平的電容電壓自平衡式逆變器。在圖2.4中，開關(guān)器件Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sn1、Sn2、Sn3、Sn4和二極管Dp1、Dp2、Dp3、Dp4、Dn1、Dn2、Dn3、Dn4用來在輸出端輸出所需電平，其他開關(guān)器件、二極管和電容用于電平箝位以實

35、現(xiàn)單元的自動均壓。 圖2.6 電容電壓自平衡式五電平逆變單相電路這種結(jié)構(gòu)與以上所述的二極管箝位式和電容箝位式結(jié)構(gòu)比較有以下優(yōu)點： (1）實現(xiàn)了電容電壓的自動箝位，不需要復(fù)雜的電容電壓平衡控制算法。 (2）將此結(jié)構(gòu)的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實現(xiàn)功率的雙向流動，所以，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍廣泛，可以實現(xiàn) DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率轉(zhuǎn)換。 該結(jié)構(gòu)的缺點： (1）當(dāng)電平增加時，所需要的電容和功率開關(guān)數(shù)目都會增加許多，使得系統(tǒng)的成本和體積增大。 (2）由于使用了大量的功率開關(guān)和箝位電容，使得電路在工作時的開關(guān)損耗增大。 (3）隨著電路級數(shù)的增加，由于功率開關(guān)的通態(tài)壓降引起的每級電壓

36、降落將越來越明顯。 2.2 飛跨電容型多電平逆變電路2.2.1 飛跨電容型多電平逆變電路結(jié)構(gòu)和工作原理圖2.7所示是一個飛跨電容型五電平逆變器的單臂電路,S1-S8為功率開關(guān)管，Cc1-Cc6為飛跨電容，每個電容都具有相同的電容值和電壓，C1-C4為直流分壓電容。由圖可見，與二極管箱位型多電平逆變器不同，這種電路采用的是跨接在串聯(lián)開關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進(jìn)行籍位的，它的開關(guān)狀態(tài)如表2.2所示。從表中可以看出,該電路的電壓合成更為靈活，即對于相同的輸出電壓，可以由不同的開關(guān)狀態(tài)組合得到。例如，對于輸出電壓-Vdc/4和Vdc/4，分別可以由四種開關(guān)狀態(tài)組合得到；對于輸出電壓0，可以由六種開關(guān)狀態(tài)組

37、合得到。這種開關(guān)狀態(tài)組合的可選擇性，為飛跨電容電壓平衡提供了可能性和靈活性。與二極管箱位型多電平逆變器類似，飛跨電容型多電平電路也可構(gòu)成三相系統(tǒng)，如圖2.8所示。對于一個電平的飛跨電容型電路，每個橋臂需要2（n-1）個開關(guān)器件,（n-1）個直流分壓電容以及（n-1）（n-2）/2個飛跨電容。圖2.7 飛跨電容型五電平逆變電路單臂電路表2.2飛跨電容五電平逆變電路輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系輸出電壓開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4S5S6S7S8-Vdc/200001111-Vdc/4100011100100110100101011000101110110011000011001110101010100

38、101100101010101101001Vdc/411101000011100011011001011010100Vdc/211110000圖2.8 飛跨電容五電平三相逆變電路2.2.1 飛跨電容型多電平逆變電路的優(yōu)缺點飛跨電容型多電平逆變器拓?fù)涞某霭l(fā)點之一,是為了去除二極管箱位型電路中大量的箱位二極管,但同時又引入了大量的懸浮電容。在電力電子裝置中,電容是一個可靠性較差、壽命較短的器件15。綜合分析得出飛跨電容型多電平逆變器的優(yōu)點如下。(1）電源斷電時，大容量電容器存儲的能量可以作為電源提供額外控制。(2）在電壓合成上，大量的開關(guān)狀態(tài)組合冗余，可用于電壓平衡控制。(3）能控制有功和無功功率

39、流量,因而可用于高壓直流輸電和變頻調(diào)速。(4）階梯波調(diào)制時，器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高。(5）單電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。但是它同樣具有以下缺點。(1）當(dāng)逆變器輸出電平數(shù)很大時，需要的飛跨電容數(shù)量大，封裝困難成本較局高。(2）功率變換電路控制困難，有功功率流量轉(zhuǎn)換的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗較高。(3）用于純無功負(fù)載時，存在飛跨電容電壓的不平衡。2.3 級聯(lián)式多電平逆變電路級聯(lián)型多電平逆變器是將多個獨立的單相全橋逆變電路串聯(lián)起來，組成一個功率模塊，通過向量合成每個逆變器的輸出電壓形成多電平波形。級聯(lián)型多電平逆變器具有輸出容量大、易于模塊化和擴(kuò)展、適用于中高壓大功率場合、輸出電壓諧波含

40、量小等優(yōu)點,已在無功發(fā)生器（SVG）、中高壓調(diào)速、大功率有源電力濾波和交流柔性供電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由型全橋逆變電路作為功率單元級聯(lián)而成。單元級聯(lián)型電路輸出線電壓電平數(shù)NL相電壓電平數(shù)NP與每單相級=4聯(lián)功率單元數(shù)NS的關(guān)系為：NP=2NS+1 （2.3） NL=4NS+1 （2.4）2.3.1 級聯(lián)型多電平逆變電路的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2.9是級聯(lián)型五電平逆變器拓?fù)鋯伪垭娐?，它由兩個電平H橋單元級聯(lián)構(gòu)成?？梢暂敵?、1和0五種電平。與二極管箝位型和飛跨電容型多電平逆變電路相比，級聯(lián)型拓?fù)洳恍枰罅康捏槲欢O管和飛跨電容，但是需要多個獨立直流電壓源。對于一個n電平的級聯(lián)型拓?fù)洌總€橋臂需要（

41、n-1）/2個獨立直流電壓源和2（n-1）個主開關(guān)器件。該拓?fù)淇梢苑奖愕赝ㄟ^三角形或星形聯(lián)接構(gòu)成三相系統(tǒng)。2.3.2 H橋逆變單元逆變單元主電路為電壓型（VSI）單相全橋逆變器（也稱H橋逆變單元），圖2.10為H橋逆變單元的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實際應(yīng)用中橋逆變單元的直流電壓源一般由三相或單相交流電壓整流成脈動的直流電壓,經(jīng)電容濾波后獲得。H橋由S1、S2、S3和S4四只IGBT及反并聯(lián)二極管組成。每兩個IGBT工串聯(lián)構(gòu)成一個橋臂（S1和S2串聯(lián)構(gòu)成左邊橋臂，S3和S4串聯(lián)構(gòu)成右邊橋臂），左右兩個橋臂并聯(lián)后連接到直流母線上。通過對逆變橋進(jìn)行PWM控制，使左右兩個橋臂的中點L、R之間輸出幅值和頻率可變

42、的交流電壓。圖2.9 級聯(lián)型五電平逆變器單臂電路圖2.10 H橋逆變單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為防止直流母線發(fā)生短路，同一橋臂的兩個IGBT不能同時導(dǎo)通，因而來自控制系統(tǒng)的IGBT的觸發(fā)信號中，S1和S2觸發(fā)信號反相，S3和S4觸發(fā)信號反相。這樣，四個IGBT共有四種有效的組合狀態(tài)；當(dāng)S1和S4導(dǎo)通而S2和S3關(guān)斷時，左右兩橋臂的中點L、R之間輸出電壓為+E，即U0=+E。當(dāng)S2和S3導(dǎo)通而S1和S4關(guān)斷時，左右橋臂的中點L、R之間輸出電壓為-E，即U0=-E。當(dāng)S1和S3導(dǎo)通而S2和S4關(guān)斷時，或當(dāng)S2和S4導(dǎo)通而S1和S3關(guān)斷時,左右橋臂的中點L、R之間輸出電壓為U，即U0=0。因此根據(jù)四個IGBT不同

43、的態(tài)狀組合，每個逆變功率但那原都能夠輸出3種不同電平的電壓，+E、0、和-E。2.3.3 對稱全橋逆變電路單元級聯(lián)型多電平功率逆變器每一相均由N個結(jié)構(gòu)相同的逆變單元將交流輸出電壓串聯(lián)組成，疊加后形成多電平功率變換電路的某一相輸出，如A相輸出相電壓UAN為：UAN=Uoa1+Uoa2+-+UoaN (2.5)多電平功率逆變器的每相輸出電壓是N個級聯(lián)的功率單元輸出電壓之和,每一功率單元可以輸出+E、0、和-E三種電壓故每一相可以輸出電平：-NE，-(N-1)E，.，-E，O，E，.，(N-1)E，NE級聯(lián)型多電平功率變換電路的相電壓電平數(shù)M為奇數(shù)，每相逆變功率單元的個數(shù)N與M自己滿足一下關(guān)系：M=

44、2N+1 (2.6)控制中根據(jù)不同的脈寬調(diào)制方式，每相輸出不同的M級脈寬調(diào)制的階梯波逼近正弦波形以滿足應(yīng)用需求。故兩個三電平基本單元可以組合成一個五電平的對稱全橋電路，兩個五電平基本單元則可組成一個九電平的對稱全橋電路，以此類推,可得出如下結(jié)論：用2個相同的低階M電平基本單元（記作HBm,其中m為其電平數(shù)）可以構(gòu)成一個高階的2m-1電平對稱全橋電路記作SFB2m-1，其中2m-1為其電平數(shù)）。這種對稱全橋電路的一個突出優(yōu)點在于可以將一些輸出電平數(shù)較少的電路組合成輸出電平數(shù)較多的電路，從而可以顯著減小諧波含量。普通的二極管箝位、電容箱位型電路存在的一個缺陷就是隨著電路輸出電平數(shù)的增加，其電路結(jié)構(gòu)

45、將會變得越加復(fù)雜。五電平全橋電路（由兩個三電平基本單元構(gòu)成）的拓?fù)湟韧瑯虞敵鑫咫娖降腘PC電路結(jié)構(gòu)簡單得多；九電平的NPC電路目前很難實現(xiàn)，但是用兩個五電平的NPC電路就能夠?qū)崿F(xiàn)九電平的對稱全橋逆變電路。因此，從理論上分析，這種組合方式是具有一定可行性的，而且還可以對其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，是分析非對稱全橋逆變電路的基礎(chǔ)。2.3.5 混合電路串聯(lián)逆變電路通常，開關(guān)速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的開關(guān)頻率又較低。為了用更少的單元得到更多的電平，基于“混合功率單元”的串級逆變電路得到了發(fā)展。這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)功率單元串聯(lián)逆變

46、電路的推廣。 文獻(xiàn)7提出了對2個獨立單元的直流箝位電源采用電壓比為1:2，一個單元使用IGBT，另一個單元使用IGCT的混合串級逆變電路，IGCT單元上的電壓2倍于IGBT單元，如2.11所示。在控制上，以基波開關(guān)IGCT，以PWM方式調(diào)制IGBT。比起功率單元串級電路，這種混合單元的串級電路有一個優(yōu)點：由于2個單元預(yù)先給定的電壓不同，IGBT單元和IGCT單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)單相7電平的輸出。這種結(jié)構(gòu)達(dá)到了用更少的單元到更多電平的目的。該混合單元輸出各個電平時兩個單元的開關(guān)狀態(tài)如表2.4所示。表2.4 電壓比為1:2時輸出電平狀態(tài)輸出電壓范圍IGBT輸出IG

47、BT輸入32 2 0121 2 0110 0 0101 0 0112 2 0123 2 01類似的，可以將兩個單元的電壓比設(shè)為1:3，控制方法與1:2的結(jié)構(gòu)類似。開關(guān)狀態(tài)如表2.5所示。表2.5 電壓比為1:3時輸出電平狀態(tài)輸出電壓范圍IGBT輸出IGBT輸入43 3 -1032 3012-1 3011 100 -10 010 01 120311233-1034301圖2.11 IGBT和IGCT組成的混合單元2.3.4 級聯(lián)型多電平逆變電路優(yōu)缺點級聯(lián)型多電平逆變電路的特點如下： (1）無需均衡電容電壓。二極管筱位型多電平逆變器是由多個電容分壓得到的，工作時需要均衡電容電壓。而在級聯(lián)型逆變器中

48、，各隔離直流電源在充放電上是完全解藕的，只要各直流電源容量足夠，無需特別的均衡控制。(2）結(jié)構(gòu)上易于模塊化和擴(kuò)展。級聯(lián)型逆變器是一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個H橋臂結(jié)構(gòu)相同，易于模塊化生產(chǎn)。逆變器拆卸和擴(kuò)展都很方便,這是其他多電平逆變器所不具有的。(3）級聯(lián)型逆變器除具有多電平逆變器共同的線電壓冗余特性外，還具有相電壓冗余特性。對于每相某一輸出電壓,存在多種級聯(lián)單元的狀態(tài)組合。各級聯(lián)單元的工作是完全獨立的，其輸出只影響輸出總電壓,不會對其他級聯(lián)單元造成影響。相電壓冗余可用于均衡各單元的利用率，級聯(lián)型逆變器從原理上各器件的利用率可以達(dá)到一致。(4）便于實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)。通過對H橋加入諧振電感、電容，采用適當(dāng)?shù)?/p>

49、控制策略比較容易實現(xiàn)軟開關(guān)，從而可以減少開關(guān)損耗，減小散熱裝置的體積。(5）是多電平逆變器中輸出同樣數(shù)量電平而所需器件最少的一種。在采用了差補技術(shù)或混聯(lián)技術(shù)后，器件效能比進(jìn)一步增大。級聯(lián)型逆變電路目前主要存在的問題：(1）由級聯(lián)型逆變器的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)逆變器的重數(shù)增多時，需要的隔離直流電源數(shù)量也隨之增加。這將使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得很龐大，專門制作直流電源成本較高，并且直流電源增加了一級功率變換，降低了系統(tǒng)的效率。這是目前制約級聯(lián)型逆變器在中小功率變換中應(yīng)用的瓶頸。(2）由于級聯(lián)型逆變器具有較多的工作單元，大部分情況下，并不是所有單元都同時得到了利用。為提高系統(tǒng)可靠性和延長系統(tǒng)壽命，需要均衡各單元的利用

50、率。目前均衡控制方法主要基于循環(huán)和交替的控制方法，這些方法存在時間相關(guān)性，需要記錄先前的工作情況，只適用于參考信號平穩(wěn)的場合。(3）隨著級聯(lián)單元的增多，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，由于較多的元件，系統(tǒng)出故障的可能性增大。系統(tǒng)故障檢測的難度增加了，故障發(fā)生后，故障定位的難度也大大增加了。這將增加系統(tǒng)的維護(hù)成本。也延長了系統(tǒng)的維修時間。因此,級聯(lián)型逆變器需要一種快速、低成本的故障診斷方法。(4）目前級聯(lián)型逆變器一般采用集中控制，即一個計算機(jī)控制所有的開關(guān)器件，集成了系統(tǒng)所有功能。隨著日益增大的功率要求，級聯(lián)型逆變器的級聯(lián)單元會日益增多，結(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，若仍采用集中控制會使系統(tǒng)軟硬件設(shè)計面臨巨大挑戰(zhàn)。同時集中

51、控制增大了級聯(lián)型逆變器的再次擴(kuò)展的難度，也限制了逆變器的模塊化生產(chǎn)"因此，級聯(lián)型逆變器需要一種分散控制、集中協(xié)調(diào)的模式,這方面目前未見相關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo)。2.3 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了多電平逆變電路的三種常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理。綜合比較了各類基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點：二極管箝位式多電平逆變電路直流電容均壓困難，二極管耐受高壓，飛跨電容型電路需要大量箝位電容，封裝困難。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對功率元件都存在潛在的高壓危險，控制較為復(fù)雜，而單位級聯(lián)型多電平逆變電路易于模塊化設(shè)計及控制，安裝維護(hù)簡單，可靠性高，具有一定優(yōu)越性。第三章 基于基本單元的級聯(lián)式多電平逆變電路為了便于快速建立能簡易控制的多電平逆變電路

52、，本文中提出一種新型的基于基本單元的級聯(lián)式多電平逆變電路。下面將討論這種逆變電路的基本構(gòu)成單元、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理及仿真研究。該思想是以基本單元為基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)對輸出電壓、電平數(shù)的要求可決定串聯(lián)的單元數(shù)。將基本單元結(jié)果進(jìn)行簡單的串并聯(lián)以達(dá)到輸出電壓、電平數(shù)的要求。3.1基本單元的介紹所謂基本單元，只指滿足構(gòu)成多電平逆變電路拓?fù)錀l件的最小組成部分。從電路原理的角度，為得到輸出的多電平，至少必須滿足以下兩個基本調(diào)劑：（1）需要基本電平。（2）需要相應(yīng)的由有源和無源器件組成的單元，將基本電平合成、實現(xiàn)多電平輸出。將基本電平和電路單元相結(jié)合，就可構(gòu)成多電平逆變電路的基本單元，圖3.1（a）所示的普通兩

53、電平逆變電路的橋臂就能滿足要求。但這樣得到的基本單元只能實現(xiàn)兩電平的輸出，為了得到多電平輸出，自然的思路就是將他們串聯(lián)或并聯(lián)，得到如圖3.1（b）和圖3.1（c）所示的單元。對于前者，在兩個輸出端之間，可以得到四種電平的輸出電壓，V1-V2，V1-V3，V2-V3，0。對于后者實際上就是一個普通的全橋電路，如果采用單極性調(diào)制，在它的輸出端，可以得到單個電平V1-V2，0，V2-V1。3.2由基本結(jié)構(gòu)得到的多電平逆變拓?fù)湓诘玫交締卧?，為了得到更多的電平，可以采用基本單元串并和并串的?lián)接方式進(jìn)行擴(kuò)展。（1） 基本單元串并得到的多電平逆變電路拓?fù)鋵⒍嚯娖侥孀冸娐坊締卧謩e串聯(lián)，得到若干個電平數(shù)

54、遞減的部分，再將這些部分并聯(lián)，從而得到如圖3.2所示的多電平逆變電路拓?fù)洹，F(xiàn)有的二極管鉗位型多電平逆變電路，電容鉗位型多電平逆變電路都可以從中推導(dǎo)得到。在該電路中去除某些元件可以得到一些新的多電平逆變拓?fù)?，這些新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上仍屬于二極管鉗位型和電容鉗位型的變形電路。同時多電平逆變電路基本單元還可以用三（或三個以上）電平橋臂構(gòu)成，仍 （a）基本單元 （b）基本單元的串聯(lián)（c）基本單元的并聯(lián)圖3.1 基本單元的串并聯(lián)組合然采用先串后并的方法。圖3.3以二極管鉗位型三電平橋臂作為基本單元通過串并組合得到的多電平逆變電路拓?fù)洌瑯涌梢缘玫揭燥w跨電容型三電平橋臂作為基本單元的多電平逆變電路拓?fù)?。更多?/p>

55、多電平逆變電路拓?fù)涞纳桑€可以通過組合兩電平橋臂基本構(gòu)成單元和三電平橋臂基本構(gòu)成單元得到。（2） 基本單元并串得到的多電平逆變電路拓?fù)鋱D3.2 基于兩電平橋臂和基本單元圖3.4 基于兩電平橋臂和基本單元圖3.3 基于二極管鉗位型三電平橋臂和將任意電平的基本單元并聯(lián)形成多個全橋單元，再將這些全橋單元串聯(lián)，可得到任意電平的級聯(lián)型多電平逆變電路。由于級聯(lián)型多電平逆變電路具有易于模塊化的結(jié)構(gòu)特點，所以本文提出的基本電源的思想在其中更能充分地體現(xiàn)出來。圖3.4即為由兩電平橋臂作為基本單元構(gòu)成的級聯(lián)型多電平逆變電路。更多的級聯(lián)型拓?fù)淇梢酝ㄟ^串聯(lián)任意個任意電平、任意類型的全橋單元得到。對于使用不同直流電壓的級聯(lián)型拓?fù)?，某些電平的輸出要求不同單元輸出正?fù)相反的電平，這樣會產(chǎn)生電流回灌，直流側(cè)電壓上升過高而得不到期望的輸出。為了解決這個問題，可以對兩個單元使用有全控器件構(gòu)成的有源整流。另外，多電平