两电平及多电平变换器介绍
多电平逆变器简介
多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电路可靠性提高，易于模块化，适合7电平、9电平及以上的多电平应用，是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为：在上述的多电平逆变器的PWM控制法中，空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器，五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多，控制算法复杂，不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器，适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法，既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器，也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM 控制法和开关频率优化PWM控制法，则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波，因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器，载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法，可提高等效开关频率，控制效果更好。
多电平三相逆变器中，空间矢量密集，可供选择的矢量模大小种类很多，电压合成更加接近正弦波，所以多电平的空间电压矢量法控制进度高，输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中，此时空间电压矢量法控制算法非常复杂。
PWM．型多电平逆变器一、NPC）2优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；）3电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
多电平逆变器技术介绍
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
多电平逆变器简介
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构：二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，控制困难，实际应用中还是三电平电路为主，一般不超过五电平。
飞跨电容型，亦称电容箝位型，同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题，实际应用较少。
级联型多电平逆变器，又称链式逆变器，以普通的单相全桥（H桥）逆变器为基本单元，将若干个功率单元直接串联，串联数越多，输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题，电PWM控弦波，5电平以一、NPC型多电平逆变器优点：1）可根据不同的需要选择不同的功率器件，提高功率器件的利用率；2）电平数越大，输出电压的谐波含量就越少，输出电压波形与正弦波就越接近；3）可直接实现大功率和高电压，功率变换装置的成本降低。
缺点：1）每相桥臂开关器件的工作频率不同，造成了各开关器件的负荷不一致；2）对于m电平电路来说，每个桥臂需要（m-1）（m-2）个箝位二极管，即随着电平数的增加，所需箝位二极管数目将快速增加，成本增加；3）电平数越大，利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量，3个零矢量，独立的空间电压矢量有19（=1+1*6+2*6）个，60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上，2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系，取g轴与α轴重合，逆时针旋转60°为h轴，设参考矢量，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为：归一化处理后（矢量坐标整数化），将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系，得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示：②矢量分区方法扇区的确定方法：空间矢量图可分成6个扇区（A-F），设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
模块组合多电平变换器的研究综述
模块组合多电平变换器的研究综述一、本文概述随着电力电子技术的快速发展，多电平变换器作为一种高效、可靠的电力转换方式，在能源转换、电机驱动、电网接入等多个领域得到了广泛应用。
其中，模块组合多电平变换器因其模块化设计、易于扩展和维护等优点，受到了广泛关注。
本文旨在对模块组合多电平变换器的研究进行全面的综述，以期为相关领域的研究人员提供有价值的参考。
本文将介绍模块组合多电平变换器的基本原理和分类，包括其基本结构、工作原理以及常见的拓扑结构。
在此基础上，将重点分析模块组合多电平变换器的性能特点，如输出电压波形质量、效率、动态响应等，以及其在不同应用场合中的优势和局限性。
本文将综述模块组合多电平变换器的关键控制技术，包括调制策略、均压策略、故障诊断与容错控制等。
这些控制技术对于提高变换器的性能、稳定性和可靠性具有重要意义。
通过对现有研究成果的梳理和评价，本文旨在为相关研究人员提供有关模块组合多电平变换器控制技术的全面认识。
本文将展望模块组合多电平变换器的研究趋势和前景。
随着新能源、智能电网等领域的快速发展，模块组合多电平变换器将面临更多的应用需求和挑战。
本文将对未来的研究方向和潜在的应用领域进行探讨，以期为相关领域的研究和发展提供有益的启示。
二、多电平变换器的基本原理与分类多电平变换器是一种电力电子装置，其核心思想是通过产生多个不同的直流或交流电平，以实现对输出电压或电流的精细控制。
这种变换器在高压大功率应用场合中特别受欢迎，因为它能有效减少开关过程中的电压和电流应力，从而降低开关损耗，提高整体系统效率。
多电平变换器的基本原理在于利用多个独立或相互关联的电压源或电流源，生成多个不同的电平。
通过合适的控制策略，这些电平可以被有效地组合和切换，从而实现对输出电压或电流的精确控制。
与传统的两电平变换器相比，多电平变换器在电压和电流波形上更为平滑，产生的谐波分量更少，对电网的污染也更小。
中性点钳位型（NPC）：NPC多电平变换器通过在直流侧引入多个电容器，并将它们与开关管相连，形成多个电平。
三电平逆变器和两电平逆变器输出线电压波形
【三电平逆变器和两电平逆变器输出线电压波形深度分析】一、引言三电平逆变器和两电平逆变器是现代电力系统中常见的电力电子设备，在电力调制和控制方面有着重要的应用。
本文将深入探讨三电平逆变器和两电平逆变器的输出线电压波形特点，从电压波形理论、功率电子器件原理、调制技术和控制策略等方面展开分析，旨在帮助读者全面理解这两种逆变器的工作原理和优劣势，以及在实际工程中的应用。
二、三电平逆变器和两电平逆变器的工作原理1. 两电平逆变器输出线电压波形在两电平逆变器中，输出线电压波形为方波波形，其特点是波纹较多，谐波含量较高，对输出负载和电网产生不利影响。
其输出电压幅值较大，谐波含量高，容易引起线路和负载损耗增加，不利于提高系统的功率因数和电网质量。
2. 三电平逆变器输出线电压波形而在三电平逆变器中，输出线电压波形为多电平波形，其特点是具有更低的谐波含量和较小的波动，使得输出线电压更接近正弦波形。
相比于两电平逆变器，三电平逆变器具有更高的输出品质，可以显著降低谐波含量，减小输出电压的波动，有效降低系统损耗，提高系统的工作效率和稳定性。
三、电压波形的深度评估1. 电压波形的理论意义从理论上讲，输出线电压波形的质量直接影响着逆变器系统的功率质量、谐波污染和电磁兼容性。
良好的输出线电压波形能够降低系统损耗，减小谐波产生，改善系统的功率因数，提高逆变器系统的工作效率和电网质量。
2. 电力电子器件的原理在输出线电压波形形成过程中，电力电子器件的开关特性和导通能力对波形质量起着至关重要的作用。
在两电平逆变器中，电力电子器件的开关频率高、导通压降大，容易产生较多的谐波成分；而在三电平逆变器中，多电平输出的工作模式可以有效减小电力电子器件的开关损耗，提高其工作效率。
3. 调制技术和控制策略输出线电压波形的质量还与逆变器的调制技术和控制策略密切相关。
在调制技术方面，两电平逆变器多采用较为简单的PWM调制方式，难以减小谐波含量；而三电平逆变器则通过多种调制方式和控制策略，实现多电平输出，可以有效降低谐波成分，优化输出线电压波形。
多电平逆变器技术及其原理综述
多电平逆变器技术及其原理综述多电平逆变第5期蔡兴：多电平逆变器技术及其原理综述181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，同时有很高的开关损耗。
1.3H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，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，是由两个两电平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。
多电平变换器前景与应用
多电平变换器前景与应用【摘要】多电平变换器是一种重要的电力电子装置，在电力系统和可再生能源领域具有广泛的应用前景。
本文从多电平变换器的工作原理、优势与特点、在电力系统中的应用、在可再生能源领域的应用以及在电动汽车充电系统中的应用等方面进行了介绍和分析。
多电平变换器能够提高能源转换效率、减少能量损耗、改善电力质量，并且具有较高的可靠性和灵活性。
未来，随着电力系统的不断发展和可再生能源的逐渐普及，多电平变换器在电力领域的应用将会进一步扩大，为推动电力行业的可持续发展做出更大的贡献。
可以预见，多电平变换器将在未来的电力系统中发挥越来越重要的作用，为人类社会的可持续发展做出积极贡献。
【关键词】多电平变换器、前景、应用、工作原理、优势、特点、电力系统、可再生能源、电动汽车充电系统、展望1. 引言1.1 多电平变换器前景与应用概述多电平变换器是一种重要的电力电子设备，其在电力系统和可再生能源领域中有着广泛的应用前景。
随着能源需求的增长和环境保护意识的提高，多电平变换器的重要性逐渐凸显出来。
本文将从多个方面探讨多电平变换器的工作原理、优势与特点，以及在电力系统、可再生能源和电动汽车充电系统中的应用等方面展开讨论。
多电平变换器通过控制多个电平的输出电压，可以实现对电力系统的精确控制，并且具有较高的效率和功率因数。
在电力系统中，多电平变换器可以提高电网的稳定性和可靠性，减少电能损耗，提高电能利用率。
在可再生能源领域，多电平变换器可以有效地整合不同类型的可再生能源，并提高其并网并行运行时的稳定性和可靠性。
在电动汽车充电系统中，多电平变换器可以实现对电动汽车充电速度的控制，并提高充电效率，为电动汽车的推广和普及提供支持。
通过研究多电平变换器的应用前景和发展方向，可以进一步推动电力系统和可再生能源领域的发展，实现能源的可持续利用和环境的保护。
我相信在不久的将来，多电平变换器将会在各个领域中发挥更为重要的作用，为人类社会的可持续发展做出贡献。
多电平技术讲解
通过控制H桥臂上 的V1-V4的导通与关 断，可使H桥单元输 出所需要的电压和频 率。由图7可以看出， 单个H桥单元的输出 电压Uab与四个开关 V1-V4的开关状态有 关。
图8（a)所示为该单 个H桥单元输出三电 平方式的输出波形示 意图。从该示意图中 可以看出，其输出电 平包括E，0，-E。
1调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压变调 速领域，即使是采用功率器件直接串联的两电 平逆变器，也存在动、静均压问题，并且dv/dt 较大，会产生难以处理的电磁干扰问题。
表1二极管箝位型三电平逆变器工况
若要得到更多电平数，如N电平，只 需将直流分压电容改为(N-1)个串联，每 桥臂主开关器件改为2(N-1)个串联，每桥 臂的箝位二极管数量改为(N-1)(N-2)个， 每(N-1)个串联后分别跨接在正负半桥臂
对应开关器件之间进行箝位，再根据与 三电平类似的控制方法进行控制即可。
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直流母线电
压分成三个电平，即，E/2，0和-E/2(以两个电容的中点 定义为中性点)。稍加分析就可以发现，不论在表1的哪 一种工况，二极管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位 到直流母线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时， 二极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
H级联型逆变器有如下特点
(1) 每相由多个H桥单元级联而成，逆变 器输出相电压电平数L与单元级联数目N 之间存在L=2N+1的关系。由于各功率单 元结构相同，易于模块化设计和封装； 当某单元出现故障，可将其旁路，其余 单元可继续运行，系统可靠性大大得到 了提高；
多电平变换器前景与应用
多电平变换器前景与应用一、多电平变换器的发展概况多电平变换器是相对于传统的二电平变换器而言的，它通过增加中间电压等级，可以实现输出电压的连续性和平滑性，有利于减小输出电压的变化率，减小输出电压的谐波含量。
多电平变换器的出现，不仅改善了传统变流器的输出波形质量，还可以进一步提高电能转换效率，减小系统对电网和负载产生的干扰。
多电平变换器可分为三级、五级、七级、九级等不同电平，其中三级、五级变换器应用最为广泛。
三级变换器是通过两个半桥变流器连接成三电平中点电压波形，输出电压包括正、负和零电平。
五级变换器则是在三级变换器的基础上增加了两个分流变压器，使得系统的电压电平更为平滑。
多电平变换器的发展可以追溯到20世纪80年代，当时由于功率半导体技术的限制，多电平变换器的应用受到了一定的制约。
随着功率半导体器件和控制技术的不断进步，多电平变换器的性能得到了显著提升，应用范围也得到了扩大。
目前，多电平变换器已成为工业、交通、电力等领域的关键电力电子技术之一。
1. 电网接入型变流器随着可再生能源的快速发展，如风电、光伏发电等，电网接入型变流器的需求日益增长。
多电平变换器作为现代变流器的重要形式之一，具有较高的功率密度和输出波形质量，在电网接入型变流器中得到广泛应用。
通过多电平变换器的控制和调节，可实现光伏、风电等可再生能源的稳定并网，提高电能利用率，减小对电网的影响。
2. 电力调节器在电力系统中，电力调节器是一种用于调节电压和频率的重要装置。
传统的电力调节器由于输出波形的不连续性，容易引起谐波和电磁干扰，影响系统的稳定性和安全性。
而多电平变换器能够产生较为平滑的输出波形，可有效降低系统谐波含量，改善电力质量，提高系统的稳定性和可靠性。
3. 交流传动交流传动系统是工业生产中常见的一种电力驱动形式，其主要特点是转速范围广、输出扭矩平稳。
多电平变换器在交流传动系统中的应用，可以满足不同负载对电能的需求，有效降低系统的能耗，提高传动效率，减小对环境的影响。
多电平变换器专业知识讲座
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图2 改进的二极管箝位型五电 平变换器电路拓扑
图3 二极管箝位/飞跨电容型混合 五电平变换器拓扑
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V5
Sa1
C1 Sa2
V4 Sa3
C2 Sa4
Vdc V3
Sa1'
C3 Sa2'
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四电平Marx 逆变器 （APEC'2003 ）
四电平Marx逆变器
Marx 单元
半桥单元（M级） 图9 四电平Marx逆变器
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V15(-11-1) V16(01-1) V17(11-1)
图8 三电平逆变器空间电压矢量图
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2. APE仿C。'文20档0如2有-2不0当03之中处，提请出联的系本新人拓或网扑站和删控除。制方法
在近两年APEC中研究比较多的拓扑和控制方法： 拓扑：二极管箝位型和级联型 控制方法：空间矢量PWM
Sb4'
b Db1' Db2'
Db3
D A O L
Db3'
图1 单相二级管箝位型五电平变换器主电 路结构
特点： 可控制无功功率流，但是传递 有功功率时，存在直流分压 电容电压不平衡问题。
多电平逆变器
电容箝位自平衡式多电平逆变器(通用拓扑)
电容箝位自平衡式多电平逆 变器是针对逆变器的电容电 压具有自平衡功能而定的名 称，它属于电容箝位式多电 平逆变器的一种改进形式。 这种逆变器不需要借助附加 的电路来抑制直流侧电容电 压的偏移问题，从理论上实 现了电容电压的自平衡。
电容箝位自平衡式多 电平逆变器电路
混合箝位式多电平逆变器
二极管电容混合箝位式多电平 逆变器电路能够比较好地解决 单纯二极管箝位式多电平逆变 电路的内侧开关管的耐压问题 以及直流侧电容电压的平衡问 题。电路的特点是，在二极管 箝位多电平逆变器的单相电路 中，增加了(m-1)(m-2)/2个电 容。
二极管电容混合箝位 多电平逆变器电路
率成正比。降低开关频率或加入一些特定的开关状态， 可以大大减少损耗，提高效率。
2）和一般的二极管箝位和电容箝位电路相比，这 种逆变器各级的中点电压都能得到很好的控制。
3）对一个m级电平的通用式多电平逆变器，所需 的开关器件、开关管数量为m(m-1)；需要的电容数量为 m(m-1)/2。
4）计算简单，器件应力可以达到最小。 5）通用拓扑，易于衍生出新的拓扑结构，具有很 高的研究价值。
二极管自箝位五电平 逆变器
二极管箝位式多电平逆变器
这种二极管箝位式五电平逆变器增多了电平数，因而可 以使输出电压和输出电流的总谐波含量大大减小。这种电路 结构形式的显著优点是利用二极管进行箝位，解决了功率开 关管串联均压的问题。但也存在一些缺点：
1）为保证每个箝位二极管承受相同的反向电压，箝位 二极管的数量将按电平数的二次方快速增加。
多电平变换器概述
多电平变换器
1、多电平变换器产生的背景 2、多电平变换器的分类 3、箝位式多电平变换ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 4、级联型的多电平变换器 5、开绕组双端供电式多电平变换器
多电平变换器前景与应用
多电平变换器前景与应用【摘要】多电平变换器是一种高效能、可靠性强的电力电子设备，在能源领域和电力电子领域有广泛的应用。
本文首先介绍了多电平变换器的前景与应用概述，然后着重探讨了其在能源领域和电力电子领域的具体应用。
接着解析了多电平变换器的工作原理和优势。
展望了多电平变换器在未来发展中的重要性，并探讨了其应用的前景。
多电平变换器在推动能源转型和提升电力电子设备性能方面发挥着重要作用，具有广阔的市场前景和应用前景。
通过深入研究和应用，多电平变换器能够为社会发展和经济建设带来重要的推动力量，值得我们重视和关注。
【关键词】多电平变换器、前景、应用、能源领域、电力电子领域、工作原理、优势、展望、未来发展、重要性、关键词、研究背景、研究意义、研究目的、概述、结论、发展、展望。
1. 引言1.1 研究背景多电平变换器是一种能够实现多种输出电压水平的电力电子变换器，可以在不同功率电子系统中发挥重要作用。
研究背景包括了对现有电力电子设备的技术瓶颈和需求的分析，以及对未来电力电子系统应用的需求和趋势的探讨。
当前，随着能源转型的推进，对高效、高稳定性的电力电子转换器的需求日益增长。
传统的单电平变换器已经难以满足复杂系统对多种电压水平的需求，因此多电平变换器成为了解决这一问题的关键技术之一。
研究背景分析的主要目的是为了深入了解多电平变换器的应用前景和需求，为后续的研究奠定基础。
通过对电力电子系统的发展趋势和需求进行分析，可以更好地指导多电平变换器的设计和应用，推动其在不同领域的推广和应用。
1.2 研究意义多电平变换器在现代电力电子领域具有重要的研究意义，其应用不仅可以提高能源转换效率，减少能耗损失，还可以实现对电力系统的精确控制和调节。
随着能源需求的增加和环境保护意识的提高，多电平变换器在可再生能源的转换、储能系统的优化、电动汽车的充电和变流等方面扮演着至关重要的角色。
多电平变换器的研究和应用还能够推动电力电子技术的进步与创新，为实现智能电网、高效供电系统等提供支持和保障。
多电平变换器前景与应用
多电平变换器前景与应用1. 引言1.1 背景介绍多电平变换器是一种能够将电能转换为不同电平输出的电力转换设备。
随着电力电子技术的不断发展，多电平变换器在工业生产、能源转换、交通运输等领域都得到了广泛的应用。
在传统的电力系统中，往往只能提供固定的电压或频率输出，难以满足不同电气设备对电能精细调控的要求。
而多电平变换器的出现，有效地解决了这一难题，使得电能输出更加灵活多样化。
随着全球对清洁能源的需求持续增长，多电平变换器的应用也日益广泛。
其在可再生能源发电系统中的应用尤为重要，能够帮助实现电能的高效转换和传输，推动清洁能源的发展。
本文将重点探讨多电平变换器的原理、应用领域、优势、发展趋势及在清洁能源领域的应用，旨在全面了解多电平变换器的前景与应用，为推动其发展提供有益参考。
1.2 需求分析在工业生产领域，需求分析主要体现在对电力质量的要求上。
随着工业技术的不断发展，对电力稳定性和功率因数的要求也越来越高。
多电平变换器可以提供高质量的电能，保障设备正常运行，提高生产效率。
在家庭生活领域，需求分析主要体现在对家用电器的要求上。
随着智能家居的普及，用户对节能环保的要求也越来越高。
多电平变换器可以提供高效能量转换，帮助用户降低能耗，减少环境污染。
需求分析是多电平变换器研究与应用中至关重要的环节，只有深入了解用户的实际需求，我们才能更好地推动多电平变换器的发展与应用。
1.3 发展现状多电平变换器是一种在电力变换领域逐渐受到关注的新型技术。
随着能源需求的不断增长和清洁能源的发展推动，多电平变换器在电力系统中的应用逐渐增多，其发展现状也日益明显。
目前，多电平变换器的研究与应用主要集中在大容量的交流变流器以及直流变流器领域。
在电力系统中，多电平变换器被广泛应用于高压直流输电系统、电网稳定性控制、电动汽车充电桩、再生能源发电系统等领域。
多电平变换器已经在现代电力系统中发挥着越来越重要的作用，其性能和效率得到了不断提升，为电力系统的稳定运行和能源转换效率的提高提供了有力支持。
变频器的一电平、二电平、三电平与多电平的区别
变频器的⼀电平、⼆电平、三电平与多电平的区别
电平是两个电压之⽐，以对数来表⽰，称为相对电平；某电压与选定的标准电压相⽐较，以对数来表⽰，称为绝对电平。
⼀电平的变频器是没有的。
两电平即为市场上低压变频器的拓扑电路相对电平为直流母线的正负两极。
三电平型变频器采⽤钳位电路，解决了两只功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。
（（三电平变频器在国内市场遇到的最⼤难题是电压问题，其最⼤输出电压达不到6KV，所以往往需要采⽤变通的⽅法，要么改变电机的电压，要么
）
在输出侧加升压变压器。
这⼀弱点限制了它的应⽤。
）
超过两电平的都叫多电平，常⽤有：⼆极管钳位三电平、五电平，飞跨电容三电平、五电平，H桥级联多电平,半桥模块化级
（对于单元串联多电平型变频器，主要缺点是变流环节复杂，功率元器联多电平......还有很多但都是论⽂中的，不⼀定常⽤。
（
件数⽬多，体积略⼤⼀些，但在其他的⽅式不能解决国内应⽤的需要和⾼压器件应⽤的可靠性还不是太⾼的情况下，其竞争优
）
势在最近的⼀段时期内，可能还是⽆法替代的。
）。
二电平逆变器原理
二电平逆变器原理
电平逆变器是一种能将直流电能转换为交流电能的电子器件。
其工作原理是利用两个相位相反、幅值相同的矩形波形来逼近所需的交流波形，从而实现直流到交流的转换。
具体而言，一个二电平逆变器通常由一个与输入电压直流电源相连接的开关器件和一个与输出电压负载相连的滤波电路组成。
当开关器件导通时，输入电压通过滤波电路传递到负载，形成一个电平；当开关器件断开时，输入电压被阻断，负载电压为零，形成另一个电平。
通过周期性地改变开关器件的导通和断开状态，可以使输出电压呈现出与输入电压不同的矩形波形，从而实现直流到交流的转换。
在二电平逆变器中，通过改变导通和断开的频率和占空比，可以控制输出交流电压波形的频率和幅值。
此外，为了减少输出电压的谐波含量，需要使用合适的滤波电路来滤除高频成分，并使输出电压更接近所需的正弦波形。
总之，二电平逆变器通过周期性地改变开关器件的导通和断开状态，利用矩形波形逼近所需的交流波形，从而实现直流到交流的转换。
它是一种简单有效的逆变器设计方案，广泛应用于各种需要将直流电能转换为交流电能的场合。
第5章 多电平变换器.ppt
两电平拓扑结构
1)一般只使用于小容量的变换器。 2)输出电压波形中谐波较大。 3)一般来说，需要较高的开关频率。 4)输出电压波形中，du/dt较大。 5)损耗较大，效率较低。
两电平拓扑结构
图7 三相两电平逆变拖动系统的示意图
两电平拓扑结构
图8 两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析
二极管钳位式多电平变换器
表1 二极管钳位式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图12 两种二极管钳位式五电平变换器示意图(一个桥臂)
二极管钳位式多电平变换器
图13
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
图14
3.4.2 二极管钳位式多电平变换器
级联式多电平变换器
6)不存在电容电压不平衡问题。 1)需多个独立直流电源。 2)不易实现四象限运行。 3)所需开关器件较多，若采用U/f开环控制，低频时电平数减少， 输出谐波增加。 4)单元采用电解电容的可靠性差。
级联式多电平变换器
图15 两个H桥级联的变换 器示意图(一个桥臂)
级联式多电平变换器
变换器理想开关的定义
1)通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。 2)阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。 3)开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。 4)通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一 个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向承受电 压，即双向可控开关。 1)通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。 2)阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。 3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零 时间内降为零。
第五讲多电平
5.1 多电平简介（续2）
多电平逆变器研究拓扑和调制方法
拓扑结构 • 二极管钳位多电平逆变器 • 飞跨电容多电平逆变器 • 级联多电平逆变器 调制方法 • 多电平消谐波PWM方法 • 多电平空间矢量方法 • 优化阶梯波宽度技术 • 相移SPWM技术
5.1 多电平简介（续3）
二极管箝位式多电平逆变器
5.2 三相桥多电平逆变器
5.2 三相桥多电平逆变器（续1）
0态 1态 2态
Sa 0 v V V /2 AO D D 2 S 1 a v V 0 AO D 2 S 1 a v V V /2 AO D D 2
三相桥共有 33 27种开关状态
5.1 多电平简介（续5）
电容箝位式多电平逆变器
最初目的是减少二极管嵌位多电平变流器在较多电平 情况下过多的嵌位二极管。即采用悬浮电容器来代替嵌位 二极管工作，直流侧的电容不变。工作原理与二极管箝位 式变流器相似。但在电压合成方面，开关状态的选择比二 极管箝位式具有更大的灵活性。
5.1 多电平简介（续6）
缺点：
拓扑结构虽省去了大量的二极管, 但又引入不少电 容。对高压大容量系统而言, 电容体积庞大、占地 多、成本高、封装不易。 存在直流分压电容电压不均衡问题。 控制方法非常复杂, 而且开关频率将增高,开关损耗 加大, 效率随之降低。
5.1 多电平简介（续7）
具有独立直流电源的级联多电平逆变器
优点：直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不 存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行 调速控制。 控制方法相对简单。因每一级结构的相同性, 可分别对 每一级进行PWM控制, 然后进行波形重组。
5.1 多电平简介（续8）
两电平及多电平变换器介绍
PWM变流器简介电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。
由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。
在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。
本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。
1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示：图1三相电压型桥式PWM变流器电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。
其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。
在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。
下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。
V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。
通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。
负载线电压可分别由公式求出：Uuv=Uun-Uvn；Uvw=Uvn-Uwn；Uwu=Uwn-Uun可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.对该电路的工作原理再作如下说明：在整流运行状态下，Ua>0时，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls组成升压斩波电路。
V4导通时，Ua通过V4，VD6(或VD2)向Ls储能，当V4关断时，Ls储存的能量通过VD1向直流侧电容充电。
(完整版)两电平逆变器调制基本介绍
两电平SVPWM 技术的基本介绍一、两电平逆变器：设直流电压为 U d ，以低压节点为零电位，若经 过逆变器得到的PWM 波只有两种电平，即U d 和0,这种逆变器称为 两电平逆变器，如下图所示。
U a ，U b ， U c 为相电压，U ab 为线电压。
衣VT6在所示的三相拓扑结构中，VT1~VT6以相隔600的电角度依次导通, 每个IGBT 导通180°;任一时刻有三个IGBT 导通，并保证同桥臂的 只有一个导通。
（即 VT5、VT6、VT1 ； VT6、VT1、VT2 ； VT1、VT2、 VT3 ； VT2、VT3、VT4 ； VT3、VT4、VT5 ； VT4、VT5、VT6 顺序） 逆变器便可产生三相交流电。
二、电压矢量与磁链矢量轨迹磁场磁链矢量与合成电压矢量的关系为（U p iR ）dt 0 U p t （R 为绕组电阻，此式中R 忽略不计。
）当t=0时，0=0，则有 U p t ，转换为极坐标表示，可有：Re j （ 1-1），式中, R ——磁链幅值，R ,.（2/3）U L ；UdVT1 二 A 衣VT3uaNa ua,— Cb ub o' VT4 衣VT5――给定角速度， 2 f , f 是给定频率；——与虚轴j 的夹角。
可以得出，U p 与 成正比，方向为磁链圆的切线方向。
当 在旋转- 周时，U p 连续按磁链圆的切线方向运动2弧度，其轨迹与磁链圆重 合，如下图所示。
SVPWM 技术（空间矢量脉冲宽度调制技术）：是通过控制电压的空 间矢量，使磁链轨迹逼近圆形。
所以，SVPWM 调制方式具有谐波分 量小，转矩平稳，直流利用率高等优点。
在调制中，开关器件的开通 与关断时刻的选取原则是三相输出合成电压矢量保证电动机磁通轨 迹为圆当逆变器按六拍方式运行时，设磁链 初始位置为A 点，此时逆变器输出电压矢量为U 3,按方向相同原则，磁链沿着U 3方向，即AB 方向移动，当到达B 点时，若逆变器输出电压矢量为U 4，则 沿BC 方向移动。
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PWM变流器简介
电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。
由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。
在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。
本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。
1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示：
图1三相电压型桥式PWM变流器
电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。
其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。
在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。
下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。
V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。
通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。
负载线电压可分别由公式求出：
Uuv=Uun-Uvn；
Uvw=Uvn-Uwn；
Uwu=Uwn-Uun
可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.
对该电路的工作原理再作如下说明：在整流运行状态下，Ua>0时，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls组成升压斩波电路。
V4导通时，Ua通过V4，VD6(或VD2)向Ls储能，当V4关断时，Ls储存的能量通过VD1向直流侧电容充电。
电路为升压斩波，若控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，容易损坏器件。
图2典型升压斩波电路（Boost Chopper）
在实际应用中，对于开关管（IGBT）的驱动控制通常采用PWM（Pulse Width Modulation）控制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含幅值和形状）。
像这种脉冲的宽度按正弦规律变化从而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。
图3用PWM波代替正弦半波
a）正弦半波b）脉冲序列
2.在了解两电平变流器的工作原理基础上，我们可以看出，如果需要变流器承受更高的电压，就需要选用耐压等级更高的IGBT，或者采用IGBT串联的方式。
但IGBT的电压等级不可能太高（通用电压等级为600V/1200V/1700V/3300）,IGBT 是高速器件，串联比较困难，另外采用两电平电路时di/dt较高，波形不太理想。
因此我们考虑采用多电平逆变电路。
多电平变流器的采用，不仅可以提高电压等级，而且获得了更多阶的输出电压，这将使得输出波形更接近于正弦波，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大。
下面对常见的一种三电平拓扑电路进行分析：
图4中点箝位型三电平逆变电路
逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个箱位二极管;整个三相逆变器直流侧由两个电容串联起来来支撑并均衡直流侧电压。
通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波。
以U相为例：
当V11和V12（或VD11和VD12）导通，V41和V42关断时，U点和O点电位差为Ud/2;
当V41和V42（或VD41和VD42）导通,V11和V12关断时，U和O点的点位差为-Ud/2；
当V12或V41导通，V11和V42关断时，U和O点电位差为0。
可以看出三电平电路的输出相电压由三种电平：±Ud/2，0；同样的的得出输出线电压有五种电平：±Ud，±Ud/2，0。
三电平拓扑的一个突出优点就是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此适合于高压大容量应用场合。
与此类似，还可以构成五电平等更多电平的电路。
3.两电平与三电平对比。
1）损耗计算：每个开关周期中，两电平输出为正、负电平，三电平输出为正、负、零电平。
因此两电平拓扑损耗较高。
2）输出谐波：输出电平台阶越多，波形越趋近与正弦波，带出的谐波越少，系统效率得以提升。
3）器件耐压：三电平中主开关承受电压为直流侧电压一半，两电平则为全部母线电压。
但是会增加使用的器件数量。
4）三电平可以降低开关频率，较少开关损耗。
骆乾2015.07.20。