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PWM法控制算法非常复杂。

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）开关频率优化PWM控制法

具体做法是在正弦调制波中加入零序分量，或者正弦波改成梯形调制波，目的是将正弦波的波顶压平，降低开关频率，提高直流电压利用率。但这种方法只适用于三相三线制逆变器。

该方法可以在以下几方面达到优化：中点电压平衡；提供直流电压利用率；降低开关损耗。实际上，这种正弦调制波加入零序谐波的方法本质上与电压空间矢量PWM法是一致的，相当于在半开关周期的始末端均匀分布零矢量。

2）特定谐波消除PWM控制法

该方法是以消除输出电压波形中某些特定的低次谐波为目的的一种PWM控制法。有如下优点：可降低开关频率，降低开关损耗；在线相同开关频率下，可以生成最优的输出电压波形；可以通过控制得到较高的基波电压，提高直流电压利用率。难点是必须用牛顿迭代法解非线性方程组，运算时间长，无法在线计算。3）三相三电平NPC型逆变器的SVPWM控制策略

实现步骤：首先确定参考矢量所在的扇区及其所在的小三角形，确定合成参考电压矢量的三个基本矢量；确定三个基本矢量的作用时间，即每个电压矢量对应的占空比（伏秒平衡）；确定各个基本电压矢量所对应开关状态；确定各开关状态的输出次序（七段式或者五段式）以及各相输出电平的作用时间。

4）基于60°坐标系的三电平二极管箝位型逆变器SVPWM方法

①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 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ，坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为：

轴，设参考矢量v ref

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

⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (v rg,v rh)。参考矢量所处的扇区的位置可以通过下表60°坐标系中的坐标为v ref

判断得到。

小三角形的确定方法：每个扇区可分为4个小三角形，根据下表的简单计算就可确定参考矢量所在的区域。选取处在参考矢量所在小三角形的三个顶点的矢量作为合成参考矢量的基本矢量。

③矢量作用时间

⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (v rg,v rh)，在60°坐标系中运用伏秒平衡即可对于一个给定的参考矢量v ref

求得各个基本矢量的作用时间或占空比：

④输出开关状态的确定

设这三个基本矢量

则对应的开关状态为

则开关矢量为

在满足的条件下，选择不同的i就可以得到三个最近基本矢量所对应的全部开关状态。

基于60°坐标系的三电平NPC逆变器SVPWM方法能够很好地实现三电平电压PWM波的输出，其特点是能够将SVPWM算法极大简化，准确地确定参考电压矢量落入的矢量三角形和计算各个基本矢量的作用时间。

➢二极管箝位型五电平逆变器

1.拓扑结构

单相二极管箝位型五电平逆变器的拓扑结构。电路由4个等值分压电容、8

个IGBT串联构成的开关器件Q

1-Q

4

，Q

1

’-Q

4

’，12个箝位二极管组成。该拓扑结构

的原理是：采用多个箝位二极管对相应的功率器件进行箝位，利用多种开关组合来合成所需的不同电平。

输出电压与开关管的关系见下表。

可见，上下桥开关状态互补，即当开关对的其中一只开关导通时，另一只则关断

（控制脉冲相反）。该电路有4个互补对：（Q

1、Q

1

’）、（Q

2

、Q

2

’）、（Q

3

、Q

3

’）、（Q

4

、

Q

4

’）。且在控制过程中，每相电位只能向相邻电位过渡，不允许输出点位的跳变，这和三电平的情况是相同的。

五电平逆变器共有53=125种电压空间矢量,则有5个零矢量，独立的电压矢量为1+1*6+2*6+3*6+4*6=61个， 60°区域小三角形个数为1+3+5+7=16。