级联多电平逆变器

图13 开关频率优化pwm法

3.4 直接脉宽调制法[47][49]
根据三相参考电压直接确定在一个控制周期内的开关函数，并计算各个开关函数的作用时间，最后合成逆变器的pwm脉冲输出。
特点:不需定义载波信号和空间电压矢量，与前几种方法相比，算法简单，数字实现容易，占机内存小，在原理上体现了pwm的伏秒平均等效原则。这种方法适合于各种电平，电平数的增加并不增加算法的复杂性和计算量，且不受拓扑结构的限制。
3.5 多电平最优空间电压矢量法[50]
不管多电平的电平数为多少，首先借助于电平圆整的方法，将成百上千的待选矢量限制在接近于参考矢量的8个矢量，然后将这8个矢量与参考矢量逐一对比，最接近的参考矢量既为最优空间矢量，从而得到三相最优电平输出。
该法特点:微机执行的时间与电平数无关。当电压较高时，电平数较多有较大优势，开关频率低，线电压总谐波含量低，优于多载波pwm法。
3.6 混合pwm法[23][37][53]
本方法主要针对非对称混联逆变电路。为了实现输出电压波形的连续调幅，需要对多电平电路进行pwm控制。同时为了降低脉冲阶跃幅度带来的电磁干扰，连续调幅时产生的脉冲不超过1v。图14为23型3级h桥非对称混联逆变电路(三个级联单元的直流电压比为1:2:4)的混合pwm调制方法示意图。首先对电压为2v和4v单元按图14(a)中的iii、iv波形进行驱动，然后将i中正弦调制波和iii、iv波形相减，得到1v单元的调制波ii。再用ii和三角载波进行调制，形成1v单元的pwm驱动波形，如图14(b)所示。显然，该法只对1v单元进行了pwm调制，因此在选择器件时，就可以在2v和4v单元使用低频大功率器件，如igct;而在1v的pwm单元采用高频小功率器件。
文章同时对该法的扩展进行了研究，为了降低脉冲阶跃带来的电磁干扰及消除高次谐波，提出了“1＋33”或“2+33”等混联逆变电路实现方案。

图14 23型混联逆变电路

4 级联多电平逆变器的其他问题
4.1 级联多电平逆变器的功率平衡[6][10][28][31][45][46][51]
在多桥串联的级联对称逆变器中，从长期运行的角度看，各逆变单元的功率平衡，将影响装置的可靠性。为使各逆变单元工作应力平衡，需要对其相应的脉冲循环进行研究。以下研究假设串联逆变单元数为k。
(1) 循环变换阶梯调制法[8][45][51](step modulation)
它就是传统的等周期循环法。在相邻的k个控制周期中，对一相各串联单元的控制脉冲进行轮换，以保证各单元功率平衡。其输出脉冲在一个控制周期中总是中心对称如图15(a)所示，h1、h2和h3代表三个串联h桥。图15(b)所示为k=3时传统等周期循环法的工作示意图及一个完整的循环周期(三个周期)的开关次数。显然采用这种方式，功率器件的开关次数多。

图15 循环变换阶梯调制法

(2) 旋转变换阶梯调制法[8][45][51](rotating commutation of steps)
也称错位等周期循环法。它通过改变各串联逆变单元的控制脉冲和循环次序使得在两个控制周期切换时，所有功率器件不动作，大大减少开关次数。其输出脉冲在一个控制周期中或者从控制周期的起点开始，或者在控制周期的终点结束。如图16所示，其中k=3。显然这种方法既平衡了功率，又减少了开关次数，降低了器件的开关损耗，很适用于大功率应用。有些文章在此基础上进行深入研究，提出了最小化管子的开关时刻的方法来优化输出波形，以及限制直流电容上的电压脉动[6]。与传统算法相比，这种算法自由度少，控制效果好。除了上述方法外，还有等基波周期循环法、半基波周期循环法等，但它们的开关次数都很多，损耗大。

图16 旋转变换阶梯调制法

4.2 主从逆变单元的功率分配[10][31]
有些学者为非对称混联多电平逆变电路提出了主从逆变单元的概念。主逆变单元(master)就是串联连接的逆变器中，直流电压最高的单元，它承担级联逆变器大多数的功率，通常由gto、igct完成，同时通过dc/dc双向功率电源向从逆变单元(slave)供电。其它的逆变单元称为从逆变单元，直流电压较低，只负责完成自己的逆变任务。图17所示为(a)(b)(c)(d)分别为4级连接81电平的逆变器主电路、输出波形、功率分配情况及dc/dc双向功率电源。

图17 四级非对称混联多电平逆变器

4.3 级联多电平逆变器的共模电压的抑制[9][36][43]
逆变器的共模电压是指负载中性点与逆变器输出的等值中性点之间的电压。在交流调速中，pwm逆变电路或级联型逆变电路在实际应用中都会产生共模电压。共模电压在功率器件的高速开关期间会产生充放电电流。此电流通过电机内部的寄生电容产生流入地线的漏电流。漏电流过大将对电源产生电磁干扰，还会使电机轴承过早毁坏，从而影响系统运行的可靠性。因此，减小和消除共模电压的研究将极有意义。
文献[9][36]对在各种不同的控制方法下，级联型逆变电路共模电压的产生机理、大小进行比较，提出了采用电压胞异相调制和注入三次谐波等方法，消除共模电压，同时并不降低直流电压利用率。文献[43]提出了一种新颖的用于消除pwm逆变器输出共模电压的有源滤波器。该滤波器由一个单相逆变五绕组共模变压器组成，可以产生与pwm逆变器输出的电压幅值相等，相位相反的共模电压，通过五绕组共模变压器叠加到逆变器的输出，从而有效消除电机的共模电压。

5 结束语
级联多电平逆变电路由于其特有的优越性，在电气工程领域里的应用越来越广泛，特别是在高压领域里。本文从拓扑结构、控制方法和功率分配等角度对现有的文章内容进行归纳总结。除了上述内容外，还有大量的文章从逆变电源对交流电网的影响入手，通过改善整流电路及逆变电路控制方法[12][13][14]，或者是采用具有能量再生能力的单元(主要针对电机负载)[1][2][3]，从系统的角度提高变频装置输出及输入侧的功率因数;还有大量的文章对级联变频系统的装配方法(包括器件位置、母线排结构大小等等)对高压高频系统的影响进行了详细分析和优化[4][20]，为级联逆变器的产品化奠定基础。综上，为了实现“绿色电力电子装置”，级联逆变电路的研究工作有待进一步深入。

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