l李永东)一种混合级联型多电平逆变器拓扑结构
全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展
全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展随着现代电力电子技术的发展，对于高性能电力系统的需求越来越迫切。
而全桥级联式多电平逆变技术，作为一种高性能和高可靠性的电力电子系统，正在被越来越多地应用于现代电力电子领域。
本文将详细介绍全桥级联式多电平逆变技术及其拓扑结构拓展。
一、全桥级联式多电平逆变技术简介全桥级联式多电平逆变技术，指的是在每个半周期中使用多个电平实现对电力信号的高精度调节以及高质量输出。
该技术通过使用多个电平使电力信号在改变频率的同时，同时达到了改变幅值、控制谐波等方面的多种目的。
与传统的单电平逆变技术相比，全桥级联式多电平逆变技术可以更加精确地控制交流电传输和转换的过程，减少谐波和噪声的干扰，实现了更加优质的电力输出效果。
二、全桥级联式多电平逆变技术拓扑结构全桥级联式多电平逆变技术的拓扑结构主要由外围电路、桥臂电路和电源电路组成。
其中，电源电路负责提供所需的直流电压，桥臂电路对电源电路产生的电压实施变换，而外围电路则完成各种控制性质的操作。
为了提高全桥级联式多电平逆变技术的输出精度和效果，近年来，学者们在其拓补结构上进行了不断的创新和拓展。
例如，引入了各种高精度的调制技术和控制算法，研究了不同的基于能量损耗和谐波抑制等方面的控制策略，以及优化各个电路单元之间的传递效率等等。
三、拓扑结构拓展在拓扑结构拓展方面，近年来主要有以下几个方向：1. 添加分组电感器：分组电感器的加入可以帮助减少在全桥变频过程中的电能损耗，提高系统的转换效率，并降低对并联电容器的需求。
2. 应用增量式电容电压倍加电路（Partial Capacitive Voltage Multiplier，PCVM）：PCVM拥有更高的输出电压级数，可以更加精确地调节电力信号的幅值和波形，提高整个系统的电力传输和转换效率。
3. 引入流量抑制和磁阻抑制等技术：这些技术可以帮助控制交流电传输和转换的过程中产生的谐波和电磁干扰，减少系统的能量损耗和噪声干扰，同时增强系统的稳定性和可靠性。
一种新型的模块化级联型多电平变换器拓扑结构
一种新型的模块化级联型多电平变换器拓扑结构王奎李永东郑泽东（清华大学电机系北京 100084）摘要H桥级联多电平逆变器在高压大容量变频调速领域得到了广泛的应用，其最大的不足之处是必须使用庞大、复杂而昂贵的多绕组移相隔离变压器。
为了省去传统H桥级联多电平变换器中的多绕组移相变压器，本文提出了一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑结构，该拓扑由通用拓扑结构派生而来，全部由基本单元级联而成，不需要大量独立直流电源，省去了多绕组移相隔离变压器，具有模块性强、结构简单、易于扩展等优点。
和现有的主要的多电平拓扑结构相比，随着电平数的增多，使用元件较少，更适合于五电平及以上多电平使用。
本文以五电平拓扑为例进行了研究，分析了其工作原理和悬浮电容电压平衡控制方法，仿真和实验结果验证了其可行性。
关键词多电平变换器无变压器拓扑基本单元级联悬浮电容1．引言在高压大容量变频调速领域，多电平变换器由于在提高电压等级和减小输出谐波上的巨大优势，获得了越来越广泛的应用。
虽然各种新拓扑结构层出不穷，但目前在工业上应用最多的多电平拓扑结构还是二极管箝位式和H桥级联式结构[1-2]。
二极管箝位式三电平结构在中压变频调速领域应用广泛，但受限于器件耐压等级，输出电压不能进一步提高。
若采用更高电平的话，则存在电容电压难以平衡的问题。
虽然采用背靠背结构或者增加外部均压电路能够控制电容电压的平衡[3-5]，但结构复杂，箝位二极管数量也急剧增加。
在高压变频调速领域，H桥级联式结构占有绝对的优势，不仅可以采用大量低电压等级的器件实现高压的输出，而且具有结构模块化强，使用器件最少，可靠性高，输入功率因数高，输出不需使用滤波器等优点。
其不足之处是需要使用移相隔离变压器，而且电平数越多，需要的变压器副边绕组也越多。
而多绕组移相变压器体积大，制造困难，成本也很高。
为解决移相变压器带来的H桥级联变换器的缺点，本文提出了一种新型的无变压器级联多电平变换器拓扑，它秉承了H桥级联结构模块化的优点，通过功率单元级联可以很容易地实现更高电平。
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2009年3月电工技术学报Vol.24 No. 3 第24卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2009 一种混合级联型多电平逆变器拓扑结构饶建业李永东（清华大学电力电子研究所北京 100084）摘要在交流电动机调速领域，大容量多电平变换器的应用越来越广泛，为了改善系统性能，各种各样的多电平拓扑结构被提出。
本文提出了一种新颖的混合级联式多电平拓扑结构，该结构将传统的H桥逆变器（主逆变器）和二极管钳位型三电平逆变器（从逆变器）结合起来，串联为电动机供电，而这其中仅仅只有主逆变器需要电压源。
这种新型的拓扑结构由于增加了从逆变器作为辅助单元用于能量存储，可以提高系统的效率，一定程度上实现电动机的四象限运行。
相比传统的H桥逆变器，该拓扑可以减少输入电压源的数目；当电动机以稳定速度运行时，从逆变器可以为负载提供无功能量。
该拓扑结构在电力机车和大型舰船推进系统等领域有着广泛的应用前景。
关键词：混合级联型多电平逆变器电动机驱动超级电容中图分类号：TM464Investigation of Control Method for a Hybrid CascadedMultilevel InverterRao Jianye Li Yongdong（Tsinghua University Beijing 100084 China）Abstract In recent years, multilevel inverters are becoming more and more popular in the medium-high voltage AC drive system. Various multilevel inverter topologies have been proposed to enhance the performance of motor drive system. This paper presents a hybrid cascaded multilevel inverter scheme, in which the H-bridge inverter (main inverter) and the 3-level diode clamped inverter (conditioning inverter) are connected together to drive the motors, but only the main inverter needs dc voltage source. The conditioning inverter’s capacitors can be used to store and reuse the braking energy of motor loads. Additionally, compared with the traditional H-bridge inverter, this scheme can reduce the dc sources while maintaining the same voltage output. Further more, when the motor is at a steady speed, the conditioning inverter can provide the reactive power to the motor and the capacitor’s voltage can be kept balanced. This scheme has a wide range of practical applications, especially in the electric vehicle motor drive and marine propulsion system.Keywords：Hybrid cascaded multilevel, inverter, motor drives, super capacitors1引言目前，大容量变频器在工业领域取得了广泛应用。
传统的二极管钳位型逆变器，由于受开关管耐压的限制，真正实际应用的只有三电平，并且只是在中低压领域。
而在中高压领域，多数产品采用的是H桥级联型结构，H桥级联型结构虽然可以实现高电压输出，且谐波含量少，但是其输入需要多个直流电压源，移相变压器结构复杂，且制动能量的回馈再利用实现起来较为困难[1]。
为了解决这些问题，本文介绍了一种利用多电平辅助单元的混合多电平拓扑结构，该结构将传统的H桥逆变器与二极管钳位型三电平逆变器结合起来作为电动机驱动。
其中，由于加入了多电平辅助国家863高新技术基金资助项目（2007AA05Z200）。
收稿日期 2007-12-11 改稿日期 2008-03-17第24卷第3期饶建业等一种混合级联型多电平逆变器拓扑结构 105单元，使得系统在能量利用效率、谐波性能和功率因数提高等方面都得到了较大的改善，该拓扑结构非常适用于一些独立电源供电的系统，如电力机车和大型舰船推进系统等领域。
2 混合级联型逆变器拓扑结构在目前的研究中，一般的混合多电平级联结构都是采用多组独立电压源供电，且电压源间是整数母线电压比的形式。
文献[2-3]分别提出了将具有任意独立电源电压、任意电平数的多电平单元或两电平单元进行级联，在这种主从式混合级联多电平变换器中，电压高的逆变器单元可用IGCT等高耐压、低频率器件组成，电压低的单元可用IGBT等低耐压、高频率的功率器件组成，较高电压的IGCT逆变单元以输出电压的基波频率为切换频率，实现主要基波能量的输出，而较低电压的IGBT逆变单元则在较高的频率下进行脉冲宽度调制，用来改善输出波形，提高整机效率，如图1所示。
图1 已有的混合型多电平结构Fig.1 The proposed hybrid multilevelinverter topologies本文提出的混合多电平拓扑中，辅助单元结构如图2所示，该单元的独特之处就在于它是由一个多电平变换器和悬浮电容（根据需要该悬浮电容可采用超级电容）构成，而不需要其他的电源为其供电。
图2 辅助多电平变换器单元Fig.2 The conditioning inverter cell在此单元的基础上，根据不同的实际应用场合，可以组合出多种混合式的多电平结构，一般来说，可以组合出如图3所示的两种形式。
本文主要研究图3b的拓扑结构：其中H桥逆变器由独立的电压源供电，称之为主逆变器；二极管钳位型三电平逆变器则是由无源的悬浮电容供电，称之为从逆变器。
主从逆变器如何协调控制以实现高性能是本结构的关键。
图3 新型的混合多电平拓扑结构Fig.3 The new hybrid multilevel inverter topologies3 混合级联型逆变器的调制方式3.1 主从逆变器输出电平关系本文提出的逆变器拓扑结构以图3b为例，该结构的从逆变器仅用悬浮电容而非电压源供电。
首先来研究一下其输出电压情况，将由电源供电的主逆变器H桥结构进行简化，令其为一级的三电平结构，而从逆变器采用二极管钳位型三电平结构，其母线仅连接有无源的储能电容供电。
设主逆变器的母线电容电压为V dc，而从逆变器母线单个电容电压为106电 工 技 术 学 报 2009年3月V dcx ，则主逆变器可以发出的电平为+V dc 、0和−V dc ，从逆变器可以发出的电平为+V dcx 、0和−V dcx ，根据开关状态函数的定义，可以得到主从逆变器输出的相电压T T a b c a b c dc ()()v v v s s s V =（1）T T axbxcx axbxcx dcx ()()v v v s s s V = （2）式中 s a , s b , s c ——主逆变器的开关状态；s ax , s bx , s cx ——从逆变器的开关状态。
由逆变器每相输出的电压，可以得到电动机负载各相电压v aout 、v bout 和v cout 如下：aout a dc ax dcxbout b dc bx dcx cout c dc cx dcxv s V s V v s V s V vs V s V =+⎧⎪=+⎨⎪=+⎩ （3）由式（3）可知，理论上，混合逆变器可以发出9个电平的电压，分别为−(V dc +V dcx ), −V dc , −(V dc −V dcx ), −V dcx , 0, V dcx , (V dc −V dcx ), V dc 和(V dc +V dcx )。
当主从逆变器具有不同的直流母线电压比V dc /V dcx 时，逆变器就可以输出不同电平数的相电压，这里定义主从逆变器的母线电压比V dc /V dcx 为扩展比[4]。
3.2 主从逆变器不同扩展比的影响对于主从逆变器母线电压不同扩展比的情况，在d-q 坐标系下进行分析会更直观，以主逆变器的空间矢量位置为主矢量点阵的位置，而从逆变器的空间矢量位置则以每个主矢量为中心展开小六边形矢量点阵。
按照该方法，不同的整数扩展比，可以在d-q 坐标系下得到不同的空间矢量分布图，如图4所示。
可以看到，假设主逆变器V dc 不变的话，不同的扩展比不仅能够改变输出的电平数，而且可以改变输出电压的范围。
当两个单元的直流母线电压比为最大扩展比时，可获得最大的电平输出，经过简单的数学推导，可以得到主从逆变器的最大扩展比的表达式为dc x dcx x x max1V n V nn n ⎛⎞−=⎜⎟−⎝⎠ 式中 n ，n x ——主从逆变器的输出电平数。
如图3b 所示的两个三电平串联的主从式逆变器，其最大扩展比为3:1，此时该逆变器可以输出最多的九个电平。
当v dc /v dcx 超过最大扩展比时，将会出现有多个的单倍电平跳变的情况，如图4中的4:1的情况所示。
所以，在一般情况下，都会将主从逆变器的母线电压比控制在最大扩展比之内。
在不同整数扩展比的情况下，可以得到输出相电压不同电平数的表达式（N 输出电平数，j 串联级数）：(a) V dc =V dcx (b) V dc =2V dcx(c) V dc =3V dcx 最大扩展比 (d) V dc =4V dcx 过扩展比(e) V dc =5V dcx (f)V dc =6V dcx 图4 不同扩展比下的空间矢量点阵图Fig.4 Different vector points relationships of differentvoltage ratios（1）当V dc /V dcx =1:1时，N =1+2j 。