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1.1引言
随着工业的发展，电能的需求量也迅猛增长，同时我国的电网也面临着两个突出的问题：电能浪费和无功与谐波污染。
从全国工业生成用电量的分布上来看，交流电动机消耗的用电量占总用电量的六到七成，在这之中用于交流电机的直接拖动占据了电机消耗总电量的九成[1]。电动机的恒压恒转速的拖动，在一些变负载的场合里造成了大量的电能资源的浪费。比如炼钢中用来鼓风的的电动机、制氧机以及除尘机；在炼制石油和化工产品的生产用的压缩电动机；火力发电中用的水泵以及引风机；采煤巷道里用的排水泵、通风用的排风扇以及自来水公司的供水泵等，这些场合里一般使用的是三相高压大功率电动机进行拖动，功率500～5000KW、电压3～10KV[1]。如果这这些高压交流电动机采用变频调速技术进行变速运行，节能效果将是非常明显的，对工业的降低能耗、节能减排具有重大的意义。
工业、电力系统、交通及家用电器大量应用了电力电子装置等非线性负载和时变性负载，造成了大量的无功与谐波污染。电网中如果存在大量的无功与谐波不仅加大了电网的负荷，而且造成了对电气设备稳定工作的潜在威胁，甚至造成电网设备的损坏。利用多电平技术研制的中、高压大容量的有源电力滤波器是治理电网无功和谐波污染的最直接最有效的方法。
1.2多电平逆变器的发展及应用
1.2.1多电平逆变器的发展
多电平即输出的电压或电流的电平数等于或大于三的逆变频技术，1980年南波江章(A .Nabae )在工业年会上发表一篇关于三电平逆变器的主拓扑一种即二极管中点钳位式的论文，开启了多电平技术发展的新里程。1983年，P.M.Bhagwat在前人的基础上把钳位式的多电平拓扑扩展到七电平甚至更多的电平。1992年T.A.Meynard和H.Foch，提出了一种新的多电平拓扑即飞跨电容钳位式。1999年袁晓明提出了二极管自钳位多电平逆变器。2000年在IEEE工业应用年
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硕士学位论文
会上Fang Z.Peng结合了不同拓扑结构的多电平提出了一种具有一般性的主电路结构。该拓扑结构可以使直流母线串联的电容的电位达到均衡，无须添加辅佐电路，理论上实现了一个有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构[2-3]。
1.2.2多电平逆变器的应用领域
与传统的两电平相比多电平具有许多的优势：输出电压的参数易于调节与控制、输出电压的谐波含量低、直流利用率高、功率元器件承受开关频率与关断电压降低了、控制方式多、适合于高压大功率输出等。多电平逆变器应用在高压大功率系统的主电路如：AC-DC变换、DC-DC变换、DC-AC变换，实际的应用主要在一下几个方面：
1.中、高压大功率拖动的变频调速、高压直流远距离输电和电网综合治理以及超导磁悬浮[3-5]、高频感应中频炉和大功率不间断电源(UPS)等。
2.推动绿色环保新能源的开发，例如风力发电和太阳能光伏发电通过高压多电平逆变器并网。
3.治理电网由于大量的电力电子装置使用，以及交流电机、荧光灯等产生的大量的无功与谐波污染。依托多电平技术研制的的高压无功补偿与有源电力滤波器，在优化电能质量、治理电网污染上有着广阔的使用空间。
1.3三电平逆变器的研究现状与发展趋势
1.3.1三电平逆变器的研究现状
当前，对三电平逆变器研究的热点主要集中在以下几个方面： 1.合理的安排开关矢量，降低功率元器件的开关频率，减少最小导通脉冲宽度的影响，抑制输出电压的谐波。
2.实现双PWM系统的四象限运行，降低系统的无功功率，使系统的功率因数接近于1。
3.抑制中点电压的波动，是电压的波动在系统正常工作的范围内，避免由于中点电压失衡造成功率元器件的击穿。
4.三电平逆变器与两电平逆变器相比，管耗低、直流利用率高、
抗电磁干扰(EMI)而且输出的电压波形接近正弦，更适用于高电压大功率的变流的场合。
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1 绪论 1.3.2三电平逆变器的发展趋势
三电平逆变器的优良的性能促成了其广泛的应用，同时出现了更多的问题备受各方关注，主要表现在一下方面：
1.新的电路拓扑结构。交流变频调速技术中双 PWM系统是一种性能优良的变频电路，不仅使系统的输入电流波形正弦化、功率因数接近 1而且实现了整个系统四象限运行。三电平逆变器是通过增加主电路的功率元器件来实现逆变器的高压大容量运行，这就为主电路拓扑的优化创造了可能。随着电力电子技术的发展以及对功率变换规律进一步的认识，性能优良电路拓扑结构将会出现，推动三电平逆变器的更大发展。
2.电力电子器件的容量和工作频率的扩大。随着半导体技术与微电子技术的快速发展，变频器的开关器件电压和容量与逆变器的基本上是同一数量级，但是高压大功率变频器的功率和电压的要求已达到几十甚至上百兆伏安和十几千伏的数量级，电力电子器件的容量和工作频率成为阻碍其发展的一个重要因素。
表1.1 目前主要的开关器件的参数
Table 1.1 At present the parameters of main switching device
功率开关器件 功率晶体管
GTO 功率MOSEFT
IGBT IEGT IGCT
最大工作电压(V)
2000 8K 800 6.8K 6.5K 5K
最大工作电流(A)
1000 9K 200 2.6K 4.5K 2K
最大开关频率（Hz）
2K 800 200K 30K 1.2K 2K
3.控制理论与主控芯片的发展。三电平逆变器是多个学科交叉的产物，对其控制是灵活多变的，因此研究一个通用、可靠的控制理论是高压变频技术的难题。三电平逆变器伴随着开关器件的增多，对主控芯片的信号处理能力要求更高。找到一款性能可靠、运算能力强的主控芯片是实现高压大功率变频调速的发展趋势。
4.系统参数的检测及信号的传输。三电平逆变器主要应用中高压的场合，所以系统的绝缘以及电磁干扰是两个突出的问题。利用光学原理的电压、电流传感器很好的解决了上文中的问题，光学传感器具有线性度好绝缘性能好、体积小、抗电磁干扰、频带宽、交直
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硕士学位论文
流均可测量等优点，成为人们关注的焦点。
1.4课题研究的意义和内容
与传统的两电平相比多电平技术在节能减排和治理电网污染有着明显的优势，所以研制经济适用的高压大功率多电平逆变具有一定的现实意义。现将本文研究的课题内容简要概括如下：
1.介绍了三电平逆变器常用的两种电路拓扑：电容钳位式和二极管钳位式。对两种拓扑结构的优缺点做了简单的分析，分析了三电平形成的原理。介绍了空间矢量脉宽调制的原理，并给出了三电平空间矢量的合成表达式的推导过程及空间矢量的分布。
2.分析了传统三电平空间矢量算法和60°坐标系下三电平空间矢量算法的原理，尤其是60°三电平空间矢量算法通过对3个基本矢量的开关状态函数根的个数的利用。该算法便于实现基本矢量作用次序和作用时间的分配，有利于三电平NPC逆变器SVPWM快速调节控制[5]。仿真结果表明两种算法输出的结果相似，只有在低的调制比下，60°坐标系下的算法会出现双极性调制，结果证明了该算法的正确性和有效性。
3.介绍了实现三电平空间矢量系统主控芯片Cyclone II系列FPGA的主要特性，以及基于Quartus II开发软件设计流程及方法。分析了60°坐标系下的电平空间矢量算法的软件设计，把整个算法按照自下而上的设计方法分成了若干模块，最后用Verilog HDL语言设计各个模块。研究了参考矢量坐标合成模块、坐标取整模块、基本矢量选择模块、和矢量类型及矢量作用次序模块，给出了这些模块的逻辑分析检测图或Modelsim的功能仿真图。对软件设计的结果进行了分析，证实了程序设计的正确性。
4.分析了三电平逆变器硬件的电路的设计，按照各个硬件电路的功能，对电力元器件的选择和电路设计的原理都做了深入的分析，使设计的各个模块符合整体设计的要求。试验结果表明样机输出的驱动波形和电压波形达到了设计的要求，对试验中应该注意的问题，进行了分析，确保试验的安全、可靠的进行。论文最后做了总结了所做的工作不足之处，指出了以后的发展的方向。
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