1、多電平變換器拓撲及控制技術的發展綜述陳阿蓮 王鴻雁 何湘寧浙江大學電氣工程學院03/011/011主要內容：1。現有多電平變換器拓撲和控制方法的簡單概述2。APEC2002-2003中提出的新拓撲和新控制方法3。我們在多電平拓撲和控制方面所作的工作1.1 多電平變換器拓撲的簡單概述圖1 單相二級管箝位型五電平變換器主電路結構特點： 可控制無功功率流，但是傳遞有功功率時，存在直流分壓電容電壓不平衡問題。 back-to-back連接外加電壓調節控制器通過改進拓撲結構通過改進調制方法圖2 改進的二極管箝位型五電平變換器電路拓撲圖3 二極管箝位/飛跨電容型混合五電平變換器拓撲圖5 單相級聯型七電平變

2、換器主電路結構特點：無需箝位二極管和箝位電容，在三種電路結構中，對于相同電平數，所需器件最少，易于封裝；需多個獨立直流電壓源。該結構適用于各種可再生能源，如，燃料電池，光伏電池等。圖6 混合級聯型多電平變換器拓撲通用的多電平變換器拓撲圖7 通用五電平單臂電路1.2.2 多電平逆變器空間矢量PWM控制方法圖8 三電平逆變器空間電壓矢量圖 多電平SVPWM法和兩電平SVPWM法一樣，是一種建立在空間矢量合成概念上的PWM法，它的最大優點在于概念清晰，反映了SPWM的本質，電壓利用率高，易于數字實現等，不足之處在于當電平數超過5時，算法過于復雜。 2. APEC2002-2003中提出的新拓撲和控制

3、方法在近兩年APEC中研究比較多的拓撲和控制方法：拓撲：二極管箝位型和級聯型控制方法：空間矢量PWM四電平Marx逆變器 （APEC2003） 四電平Marx逆變器Marx 單元半橋單元（M級）圖9 四電平Marx逆變器一種應用于有源整流或無功補償的新的混合多電平變換器拓撲：(APEC2002)圖10 混合多電平變換器原理圖 新的控制方法一種通用的空間矢量PWM控制算法：解決了空間矢量計算的復雜性，并且該法可以應用于任意電平的H-橋級聯型多電平拓撲。（APEC2003）用于級聯型多電平變換器的錯時采樣的空間矢量調制方法，大大減小了諧波分量。（APEC2003）減少電流紋波的空間矢量混合PWM技

4、術。（級聯型）（APEC2003）減少共模電壓的滯流調節策略。使用三個獨立的多電平滯流調節器來產生三套互補的門極信號。（APEC2003）3.2 改進的級聯型多電平變換器拓撲圖12 2H/3-H級聯型多電平變換器拓撲表1 幾種多電平拓撲單臂電路輸出15電平時所需元件數的比較(a) 3-H單元的輸出波形(b) 3-H單元的輸出波形 (c) 相電壓輸出波形 圖13 改進級聯型拓撲的仿真波形3.3 提出一種具有冗余功能的多電平變換器拓撲圖16 具有冗余功能的五電平變換器單臂電路 圖15 通用五電平單臂電路思想：拓撲存在著多種開關狀態組合，當器件發生斷路故障時，改變開關狀態組合，使發生故障的器件處于關

5、斷狀態；當器件發生短路故障時，改變開關狀態組合，使發生故障的器件處于導通狀態。圖18 器件故障時的實驗結果圖17 消諧波調制方法(a) sp1斷路故障時輸出電壓(b) sp2短路故障時輸出電壓3.4 提出基于控制自由度組合的載波PWM控制方法載波的自由度： 對于載波而言，至少有頻率、幅值、相位、水平方向的偏移量和豎直方向的偏移量等多個可調節控制的參數調制波的自由度 對于調制波而言，至少有頻率、幅值和相位，疊加零序分量等多個自由度自由度之間的組合 如果把載波自由度和調制波的自由度按照一定的原則進行相互組合，以系統的性能指標優化為目標，將產生一些具有實際意義的新型多電平逆變器PWM控制方法，這種控

6、制自由度組合的思想為多電平變換器高性能的實現提供了可能二極管箝位式多電平變換器新穎載波PWM控制方法（a） 載波交疊式PWM方法原理圖 （b） 載波交疊開關頻率優化PWM方法原理圖 圖19 二極管箝位式多電平變換器新穎載波PWM控制方法二極管箝位式多電平變換器新穎載波PWM控制方法的優點多電平逆變器的載波交疊式PWM方法在調制度小于0.85的范圍內，其諧波特性要遠遠優于傳統的消諧波PWM方法；在高調制度范圍內其諧波特性和傳統的消諧波PWM方法基本相同 載波交疊開關頻率優化PWM方法除具有載波交疊式PWM方法的優點外，還增加了直流電壓的利用率，使調制度達到1.15，該方法適合高電壓調制度的三相功率變換場合二極管箝位式多電平變換器載波PWM控制方法之間的比較結論與展望1. 對多電平變換器拓撲的系統化研究。2. 多電平變換器最優拓撲的研究，使其結構簡單，控制方便，性能優越。3. 從控制自由度組合的思想