级联型逆变器的新进展

voo Vk
V2
V1
t
π
2π
t αk
t α2
t α1
图 4 阶梯波调制法的基本原理
Fig.4 Principle of step modulation
阶梯波调制法开关频率低，适用于采用 GTO 开 关频率低的逆变电路。当阶梯足够多时，输出波形 与正弦波很接近。阶梯波调制法的缺点在于当调制 系数较低时，随着阶梯的减少，输出谐波分量会有 所 增 加 。文 献 [9,10]提 出 将 调 制 系 数 分 为 若 干 段 ，当 调制系数较低时，阶梯波的最上端方波可分为几段 以减少谐波分量。
＋＋ vdddccacpaap －－p
级联 单元
＋＋ vaaagggppp
－－
＋＋ 级联 ＋＋
vddccbpb p 单元
vbbggpp
－－
－－
＋＋ vddcccpc p －－
级联 单元
＋＋
vccggpp －－
＋＋ vddcca a2 2
－－
级联 单元
＋＋ vaagg22
－－
＋＋ vddccbb2 2 －－
级联型逆变器通用结构应如图 2 所示。级联型 逆变器最初的结构是多个同样的级联单元串联，每 个级联单元包括同样的直流电源和 H 逆变桥。文献 [7]指出级联单元之间可以相互不同，级联单元通常 是 H 逆变桥，也可以是一个多电平逆变器，如 NPC 型逆变器或电容钳位型逆变器。图 3a 为 H 桥和 NPC 型逆变器串联结构，图 3b 为两个电容钳位型逆变器 串联结构。定义由不同级联单元串联而成的逆变器 称为混联型逆变器(Hybrid Inverter)。混联型逆变器 一般认为也是一种级联型逆变器。如级联型逆变器 每相包含 m 个级联单元，称为 m 重；逆变器输出 n 种电平，称为 n 电平。例如，称图 1a 为两重五电平 级联型逆变器。
图 2 级联型逆变器的通用结构
Fig.2 General structure of cascaded inverter
为得到更多的电平，可以使得各电源电压不 同 ，通 过 差 补 的 方 法 增 加 输 出 电 平 数 。 在 采 用 差 补 的方法时，要注意输出极性和总输出电压极性相 反的级联单元，其电源应能接受灌电流[6,7,34,35]。 文 献 [ 3 3 ] 设 计 了 一 个 四 重 级 联 型 逆 变 器 ，隔 离 直 流 电源电压比为 1∶2∶4∶8，其输出电平数量达到 31 种，并且任意电平下，直流电源都不承受灌电 流。
级联 单元
＋＋ vbbgg22 －－
＋＋ vddcca1a 1 －－
级联 单元
＋＋ vaagg11
－－
＋＋ vddccb1b 1 －－
级联 单元
＋＋ vbbgg11
－－
＋＋
vddccc2c 2 －－
级联 单元
＋＋ vccgg22
－－
＋＋
vddcccc1 1 －－
级联 单元
＋＋ vcgc1g 1 －－
在阶梯波调制法下，每个级联单元输出与基 频同频率的方波，用多个方波叠加形成近似正弦 波，如图 4 所示。其输出只含奇次谐波，幅度表 示如下
∑ hn
=
4 nπ
m
[Vk
k =1
cos(nα k
)]
(1)
式中
Vk ,αk — — 第 k 个级联单元的输出电压和开 关角
m ——级联单元的个数
n=1,3,…
α1 < α 2 < L < α k < π / 2
α1 β
1
β2 β3
π −α5 π −α
4
π −α3 π −α
2
π −α1 π −β
1
π − β2 π − β3
V a1 Va2 Va3 Va 4 Va 5
Vb1 Vb 2 Vb3
π
2π
图 6 虚拟分段选择谐波调制法 Fig.6 Virtual multiple segment SHE method
Keywords： Cascaded inverter , multilevel inverter
1 引言
级联型逆变器作为多电平逆变器是出现得最 早的一种。1975 年 P.Hammond 提出了多个 H 桥采 用隔离的直流电源作输入，输出端串联的结构，并 申请了美国专利[1]。1980 年二极管钳位多电平结构， 也 称 为 中 性 点 钳 位 结 构 (NPC) 才 出 现 [2]。二 极 管 钳 位 结构在出现后得到迅猛的发展。后来 P.W.hammond, F.Z.Peng 等人发现级联型逆变器在电动机驱动应用 中的优越性[3～6]，由于中等电压、高功率的需要， 级联型逆变器在 20 世纪 90 年代后期才得到广泛 流行。现在级联型逆变器广泛应用于高电压的电 动机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等 场合。
m
∑ 逆变器单相输出电压 vo = f iU i ，Ui 为第 i 个 i =1
级联单元的电源电压， fi 为开关系数，当级联单元
为单个 H 桥时，对应不同的开关组合，fi 可为−1，0，
1；当级联单元为多电平逆变器时，对应不同开关组
合，fi 可为−1，−(N－1)/N,…, −1/N, 0, 1/N,…(N−1)/N,
Abstract Cascaded inverter as one kind of multilevel inverter, is widely applied to large and medium power conversion. It is a survey of cascaded inverter. The merit and demerit of the cascaded inverter are summarized. Topology and control method are presented. Balance control, fault diagnosis and fault-tolerant are also discussed. Finally, It presents the application of cascaded inverter.
Ｓ２４
(a)两重五电平级联型逆变器
E
Ｓ１１
Ｓ１２
Ｓ１３
Ｓ１４
Ｓ２１
Ｓ２２
voo
E
Ｓ２３
Ｓ２４
（b）NPC 型逆变器
图 1 多电平逆变器的两种结构
Fig.1 Two topology of multilevel inverter (3) 级联型逆变器除具有多电平逆变器共同的 线电压冗余特性外，还具有相电压冗余特性。对于 每相某一输出电压，存在多种级联单元的状态组合。 各级联单元的工作是完全独立的，其输出只影响输 出总电压，不会对其他级联单元造成影响。相电压 冗余可用于均衡各单元的利用率。级联型逆变器从 原理上各器件的利用率可以达到一致，而图 1b 所示 的 NPC 型逆变器中间四个开关器件的利用率注定 要高一些。 (4) 便于实现软开关技术。通过对 H 桥加入谐 振电感、电容，采用适当的控制策略比较容易实现 软开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置的 体积。 (5) 级联型逆变器是多电平逆变器中输出同 样数量电平而所需器件最少的一种。在采用了差 补 技 术 或 混 联 技 术 后 [6 ～ 8] ， 器 件 效 能 比 进 一 步 增 大。 级联型逆变器的缺点在于需要大量的隔离直 流电源。在蓄电池供电场合这个问题得到了部分解 决，但又带来蓄电池组充放电不平衡问题。由于具 有多个直流电源和器件，级联型逆变器需要均衡各
2 Ｓ２４
(b)
图 3 两种混联型逆变器 Fig.3 Two kinds of hybrid inverter
3 调制及控制方法
级联型逆变器的调制方法主要包括阶梯波调制 法、多载波 SPWM 调制、相移 SPWM 调制和空间 矢量调制。多载波 SPWM（SHPWM）和相移 SPWM 技术(PSPWM)都属于多电平 SPWM，是将两电平 SPWM 技术推广到多电平的结果。 3.1 阶梯波调制法
(3) 低的电磁辐射，可以满足高标准的 EMI 指 标。
(4) 降低了输入电流的谐波，减小了对环境的 污染。
(5) 用于三相感应电动机驱动时，可以减小或 消除中性点电平波动。
(6) 可以工作在较低的开关频率下。 (7) 安全性更高，母线短路的危险性大大降低。 除此之外，级联性逆变器还有自己独到的优 点： (1) 无需均衡电容电压。二极管钳位型逆变器 的多电平是由多个电容分压得到的，工作时需要保 证电容电压稳定。而在级联型逆变器中，各隔离直 流电源在充放电上是完全解耦的，只要各直流电源 容量足够，无需特别的均衡控制。 (2) 结构上易于模块化和扩展。级联型逆变器
VV o1
VVoo22
α1
α2
α3
VV oo3
β1 β2
β3
VV oo
γ 1 γ2 γ3
β4 γ 4 γ5
Fig.5
π/2
图 5 分段选择谐波调制法 Multiple segment selective harmonic elimination
4
电工技术学报
2004 年 2 月
α 5
α 4
α3 α2
摘要 级联型逆变器作为最早出现的多电平逆变器在大中功率场合得到广泛的应用。在介绍 了级联型逆变器的特点、结构、调制和控制手段的基础上，讨论了均衡控制、故障诊断和容错控 制，最后介绍了应用情况。
关键词：级联型逆变器 多电平逆变器 中图分类号：TM464
A Review on Cascaded Inverter
2004 年 2 月 第 19 卷第 2 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.19 No2 Feb. 2004
级联型逆变器的新进展
单庆晓 1 李永东 2 潘孟春 1
（1．国防科技大学机电工程系 长沙 410073 2．清华大学电机系 北京 100084）
Shan Qingxiao1 Li Yongdong2 Pan Mengchun1 （1. National University of Defense Technology Changsha 410073
2. Tsinghua University Beijing 100084 China)
China
2
电源自文库技术学报
2004 年 2 月
是一种松散的串联结构，每个 H 桥臂结构相同，易 于模块化生产。逆变器拆卸和扩展都很方便，这是 其他多电平逆变器所不具有的。
单元的利用率。在级联单元较多的情况下，故障检 测和诊断变得比较困难。
2 级联型逆变器的结构
E
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Ｓ１２
Ｓ１３
Ｓ１４
vo
Ｓ２１
Ｓ２２
E
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通过控制开关角可以实现特定阶次的谐波消除, 这 就 是 选 择 谐 波 消 除 技 术 （ Selective Harmonic E l i m i n a t i o n）。 假 设 需 要 去 除 三 次 谐 波，则由式(1) 可 知 ， V1 cos3α1 + V2 cos 3α2 + L + Vk cos3αk = 0 。 求出满足条件的开关角，即可去除三次谐波。为了 更好地抑制谐波，方波可以分为多段。图 5 显示了 三重逆变器，各级联单元每 1/4 周期分别输出 2，3， 4 个方波的情况，最后合成的波形消除了 1、2、3、 4 次谐波。文献[11]提出一种利用虚拟开关角抑制谐 波的方法，如图 6 所示，利用 8 个虚拟的级联单元 进行波形合成，可在 π / 2 周期内得到 8 个开关角， 结果得到以后再用实际存在的级联单元去实现。图
中 Va1 ,Va2 ,Va3 ,Va4 ,Va5 为正向虚拟单元， Vb1 ,Vb2,Vb3 为负向虚拟单元，实际的计算结果利用两个级联单 元即可实现。 3.2 SHPWM 调制
Carrar 于 1992 年 首 次 提 出 SHPWM (Subharmonic PWM)技术时[12]，根据载波相位将它 分为三种方式（如图 7 所示）：
1。
第 19 卷第 2 期
单庆晓等 级联型逆变器的新进展
3
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E１
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vo
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Ｓ１２
Ｓ１ ３
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V dc
Vdc
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Ｓ２２ Vdc 2
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vo
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V dc
Vdc
Ｓ２１
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Ｓ２２ Vdc
级联型逆变器具有多电平逆变器的诸多优点， 包括：
(1) 多种输出电平改善输出波形和控制效果。
收 稿 日 期 2 0 0 3 －0 3 －2 8 改 稿 日 期 2 0 0 3 －1 0 －1 3
(2) 低 dv/dt，较低的开关损耗，降低了对开关 器件的要求，使中等功率的开关器件可用于高电压 场合。