业装置将慢慢进入实用化阶段。随着高压大容量电力电子装置需求的日益加大,多电平技术作为电力电子技术的核心技术之一,将对中国电力系统未来的发展起到至关重要的作用,而且其产业化也展示了诱人的前景。运用多电平技术来改造传统的电力工业,使之更好地为现代社会服务是一个具有现实意义和极具发展潜力的工作,也是电力系统科技工作人员面临的重大课题和挑战。
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第二章 多电平逆变器的种类介绍
2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点
二极管钳位式多电平逆变器是研究最早和应用最多 的一种多电平逆变器。 二极管钳位式多电平逆变器是通 过 串 连 的 一 系 列 电 容 将 较 高 电 压 分 成 一 系 列 较 低 的 电压。一个 M 电平的二极管钳位多电平逆变器在直流侧需 要 M-1 个电容。 例如一个三相五电平二极管钳位式逆变 器的一相，在其直流侧含有 4 个大小相同的电容 C1,C2，C3 和 C4。若直流侧的总电压为 1V，那么每个电容上分得的 电压为 V/4，并且通过钳位二极管的作用 ，每个开 关 器 件 上的电压应就限制在一个电容的电压 V/4 上， 这样逆变 器合成的输出电压就可以相对地提高了。二极管钳位多电平逆变器只需要一个公共的直流电源， 这使它的整流侧设计比较简单。
虽然开关器件被钳位在 V/4 电压上，但是钳位二极 管却要承受不同倍数的 V/4 反向电压。如果使二极管的 反向电压与开关器件相同， 则每相需要的钳位二极管的 个数为 (M-1)(M-2)。这个数字随电平数的增加而快速增 加，尤其是当器件是工作在高频状态，钳位二极管由于开 关速度的限制，只能用 IGBT 或其它开关频率高的器件代 替，这将增加成本，同时系统的可靠性也被削弱。 因此，这 种电路的实际应用中输出电平数不可能很高， 一般被限 制在五电平。 比较分析， 我们可以得到二极管钳位型多电平逆变 器优缺点如下：优点：(1)电平数越多，输出电压谐波含量 越少，从而避免了 滤 波 器的 使 用 ；(2)调制 时 ， 器 件在 基 频 下 工 作 ， 开 关 损 耗 较 小 ， 效 率 高 ；(3)back-to-back 连 接 系 统控制比较简单。 缺点：(1)需要大量的钳位二极管；(2)每个桥臂主开关器件的开关损耗都不同， 需要的电流容量 也不相等；(3)直流分压电容的电压不平衡。 2.2 电容箝位式多电平逆变器及其优缺点
飞跨电容代替二极管对功率开关进行钳位，因此就不存在二极管钳位型多电平逆变器中的主、 从功 率开关管的阻断电压不平衡和钳位二极管反相电压不能 快速恢复的问题。 例如一个三相五电平电容钳位型多电平逆变器的一相。此逆变器的直流侧采用了一种阶梯型结构，每一层的电容的电压都与下一层的电容的电压不同。为能够产生 M 电平的阶梯型输出电压，在直流侧需要 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
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损耗。
2.3 H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，是由两个两电平 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，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。缺点：随着电平数的增 加 ， 需 要大 量 独 立直 流 电 源 ， 增 加 了系统的成本。 7
第三章 多电平变换器PWM调制策略
对多电平变换器调制策略进行研究是多电平变换器研究的重点内容之一。调制策略的优劣直接影响着多电平变换器的性能。在过去的20多年里，研究者们对各种拓扑结构的多电平变换器调制策略进行了大量的研究工作，提出了一系列行之有效的调制方法。这些调制方法基本上都是传统的两电平变换器脉宽调制技术的扩展和引申，但由于多电平变换器本身所具有的特殊性，其所采用的调制策略也各有特点。
3.1多电平变换器PWM调制策略的分类
多电平变换器的PWM技术种类繁多，若按采用开关频率的不同，多电平变换器调制策略可以分为基波开关频率调制（即在输出基波周期内，开关器件通断一次）和高开关频率调制（即在输出基波周期内，开关器件通断多次）。其中，基波开关频率调制又可分为空间矢量控制（SVC）和有选择的谐波消除技术（SHEPWM）；而高开关频率调制则可分为空间矢量PWM（SVPWM）和多载波SPWM。多载波SPWM一般采用两种技术，即①基于载波垂直分布技术（包括PD、APOD、POD）；②基于载波水平移相技术。多电平变换器PWM调制策略分类示意图如图3-1所示。
多电平变换器PWM调制策略分类按基波开关频率调制分 按高开关频率调制分空间矢量控制 （SVC）有选择的谐波消除技术（SHEPWM）多载波正弦PWM （SPWM）空间矢量PWM （SVPWM）基于载波垂直 移相SPWM基于载波水平 移相SPWMPDAPODPOD
图3-1 多电平变换器PWM调制策略分类示意图
也有研究者对多电平变换器控制策略的分类是从多电平变换器的控制自由度考虑，通过不同的组合，得到各种不同的调制策略。例如：就载波而言，多电平变换器的载波通常不止一个，其形状可以是常用的三角波，也可是锯齿波等，对每种载波至少有频率、相位、幅值、垂直方向的偏移量和水平方向的偏移量等多个可调节控制的参数，将这些参数称之为自由
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度；而多电平变换器的调制波，可以是正弦波或梯形波，同样对于每种调制波形，也有频率、相位、幅值、叠加零序分量等多个参数，即自由度。若将不同控制自由度进行互相组合，必将产生一些新型多电平变换器PWM调制策略，再将上述控制自由度之间的组合，并进一步与各种多电平变换器的基本拓扑相结合，将产生数量庞大的多电平变换器PWM调制策略。
3.2多电平 SPWM调制策略 3.2.1 SPWM调制策略
常规的正弦脉宽调制（SPWM）是将三角载波和正弦调制波比较且生成PWM波形，而多电平SPWM是基于多载波的正弦脉宽调制（SPWM）。基于多载波的SPWM调制策略的基本原理是使用几个三角载波信号和正弦参考信号，通过它们之间的比较产生开关切换信号。基于多载波的SPWM技术是多电平变换器最常用的调制策略之一，它是两电平SPWM技术在多电平变换器中的直接拓展。由于多电平变换器拓扑的复杂性和多样性，与两电变换器相比，多电平变换器的SPWM调制方法也更具多样性，常用的主要有两种：基于载波垂直移相SPWM方法和基于载波水平移相SPWM方法（Carrier Phase-Shifted，PS）。
3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略
载波垂直分布多电平调制方法是两电平变换器SPWM方法在多电平变换器中的拓展。基于载波垂直分布技术的调制策略的基本原理是在N电平变换器，N-1个具有相同频率和相同幅值的三角载波并排放置，形成载波组；以载波组的水平中线作为参考零线，共同的正弦调制波与其相交，得到相应的开关信号。
载波垂直分布多电平调制主要包括以下三种调制策略：
1）所有载波相位相同的PD（Phase Disposition）调制策略，如图3-2a)所示。
2）所有相邻的载波相位相反的APOD（Alternative Phase Opposition Disposition）调制策略，如图3-2b)所示。
3）正载波与负载波相位相反的POD（Phase Opposition Disposition）调制策略，如图3-2c)所示。
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