级联多电平逆变器特性研究

1992年，t·a·maynard和h·foch提出了如图4（a）所示结构的飞跨电容箝位型逆变电路，其特点是用箝位电容代替图3中所述的箝位二极管，直流侧电容不变，其工作原理与二极管箝位型逆变器相似。若要输出更多的电平，须按照图4（b）所示层叠接法进行扩展。因此也称为多单元层叠型逆变器（imbricatedcell multilevelinverter）［19］。同样n电平逆变器可输出n电平相电压，（2n－1）电平的线电压。飞跨电容箝位型逆变器相对于二极管箝位型逆变器的优点是：

　　在电压合成方面，开关状态的选择具有更大的灵活性;由于电容的引进，可通过在同一电平上不同开关的组合，使直流侧电容电压保持均衡;可以控制有功功率和无功功率的流量，因此可用于高压直流输电。

　　缺点是：逆变器每个桥臂需要的电容数量随输出电平数增加而增加，再加上直流侧的大量电容使得系统成本高且封装困难;其次控制方法非常复杂，实现起来很困难;并且还存在电容的电压不平衡问题。

　　2.2 级联多电平逆变电路

　　具有独立直流电源的级联型逆变器是将前述多个逆变单元串联起来，使逆变器输出电压的电平数增加，从而使得输出波形的谐波含量减小，开关所承受的电压应力减小。这种结构的特点就是易于进行模块化设计，扩展容易;主要缺点是每个单元需要隔离的直流电源。

　　（1） 基本的级联逆变电路

　　基本的级联逆变电路就是具有独立直流电源的级联型逆变器。其中每个单元的直流电源可以相同也可以不同，但逆变单元拓扑结构是同一类型。如果串联连接的逆变桥中，至少有一个独立直流电源的电压与其它桥不同，就称这种多电平逆变器为非对称的，否则为对称［12］［13］［14］（vdc1=vdc2=vdc3），如图5（a）所示。非对称的逆变器一般比对称型输出的电平数多（相同结构和级数情况下）。

　　（2） 混合级联逆变电路

　　为了输出更多的电平，减少隔离电源数量，每个单元电路结构可以不完全相同，串联单元本身还可以是一个多电平逆变器，如二极管箝位型逆变器，或飞跨电容 箝位型逆变器。这种由不同结构单元串联而成的逆变器称为混联型逆变器，如图5（b）所示。如果需要三相，则可以用三组这样的混联单元按照图5（a）所示连接方法相连。实际中，由于级联多电平主要用于高压大功率，为了充分发挥不同类型器件的优点（高压和高频），同一组（相）相串联的不同的逆变单元中常常使用不同的器件，这种连接方式也称为混联，如图6所示，igbt和igct的混联型逆变单元，igbt工作于相对较高的频率，较低的电压;而igct工作于相对较高的电压，较低的频率。

　　除了上述的联结方式以外，还有由一个三相三电平二极管箝位逆变器或飞跨电容型逆变器和三个单相h桥逆变器串联形成的三相级联逆变器［33］［49］。这种电路结构简单，控制也易于实现，实际中已有使用。图7为单-三相混合级联逆变电路图。

　　（3） 减少独立电源数的级联多电平逆变电路［18］

　　由前述可以看出，级联多电平电路显示了其巨大的优越性，特别是模块化的输出为系统带来很多方便。但是，在具有独立直流电源的级联多电平逆变电路中，其所需独立直流电源数很大，且随着输出电平数及逆变器相数的增加而增加。如果每一个直流电源都需要被控制的话，就使整个系统的控制变得很复杂。因此文献［18］提出了一种合成电路的思想，以期减少直流电源数量。

　　图8（a）为推荐的三相级联逆变主电路，它只有三个独立直流电源，每相根据各开关的不同组合可以产生＋2vdc、-2vdc、＋vdc或-vdc电平的电压。图中fbc为基本的h桥逆变单元。为了避免各直流电源短路，增加了一组合成电路（synthesizingcircuit）。合成电路基本模式如图8（b）所示，具体实现由图8（c）所示的两种方法完成，s1和s2为双向开关。

　　3 级联多电平逆变器控制策略

　　3.1三角载波移相pwm法（triangular carrier phase shifting pwm method pspwm）

　　三角载波移相pwm法是一种专门用于级联多电平逆变器的pwm方法。每个逆变单元的调制信号均由一个三角载波和一个正弦调制波比较产生，所有模块的正弦调制波一样，而三角载波依次相移一个角度，从而使得各单元模块产生的spwm波在相位上相互错开，最终各模块串联叠加后输出的pwm波频率提高了很多倍，可大大减小滤波电感的体积。

　　如对于m个逆变单元串联的逆变电路，假设三角载波的频率为正弦调制波的k倍，则相邻载波之间的相移为2π/mk，相应的输出等效载波频率为mk。很多文章对输出的谐波幅值及频率与相位之间的关系进行了详细分析［25］［42］。验证了上述结论。图9为3个逆变单元串联的pspwm调制原理。

　　该法适合于单相系统。

3.2 谐波消去