多電平變換器：拓?fù)?、原理、?yīng)用與展望一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工業(yè)和能源系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對電力電子裝置的性能和功能提出了愈發(fā)嚴(yán)苛的要求。多電平變換器作為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，因其獨(dú)特的優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，已然成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，往往只能提供固定的電壓或頻率輸出，難以滿足不同電氣設(shè)備對電能精細(xì)調(diào)控的要求。而多電平變換器的出現(xiàn)，有效地解決了這一難題，使得電能輸出更加靈活多樣化。多電平變換器是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為不同電平輸出的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備，它通過多個(gè)開關(guān)管的組合控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓輸出級別的切換，可分為電容型和電感型多電平變換器，也可根據(jù)輸入電源的類型分為單相和三相多電平變換器。其工作原理主要包括直流電壓分壓、開關(guān)管控制、輸出濾波等環(huán)節(jié)，通過精確控制開關(guān)管的開關(guān)時(shí)序和占空比，可以實(shí)現(xiàn)多電平電壓的輸出。多電平變換技術(shù)具有高效率、高功率密度、低諧波污染、低電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。在高壓大容量整機(jī)應(yīng)用中，傳統(tǒng)的兩電平PWM逆變器由于開關(guān)管受壓范圍有限，難以承受直流側(cè)的高壓，且在大電機(jī)調(diào)速中存在高頻產(chǎn)生高dv/dt和浪涌電壓、開關(guān)損耗大、電磁干擾強(qiáng)以及功率因數(shù)低等問題。多電平變換器則有效避免了這些缺點(diǎn)，其每個(gè)功率器件承受的電壓僅為母線電壓的1/(n-1)（n為電平數(shù)），這使得能夠用低壓器件來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動(dòng)態(tài)均壓電路；輸出電壓波形由于電平數(shù)目多，波形畸變（THD）大大縮小，改善了裝置的EMI特性；功率管關(guān)斷時(shí)的dv/dt應(yīng)力減少，在高壓大電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，可有效防止電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿；輸出無需變壓器，大大減小了系統(tǒng)的體積和損耗?；谏鲜鰞?yōu)勢，多電平變換器在工業(yè)生產(chǎn)、能源轉(zhuǎn)換、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對電力穩(wěn)定性和功率因數(shù)的要求也越來越高，多電平變換器可以提供高質(zhì)量的電能，保障設(shè)備正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。在新能源領(lǐng)域，隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟪掷m(xù)增長，多電平變換器在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用尤為重要，能夠幫助實(shí)現(xiàn)電能的高效轉(zhuǎn)換和傳輸，推動(dòng)清潔能源的發(fā)展，如在光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和儲能等領(lǐng)域，多電平變換器可實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的高效、穩(wěn)定并網(wǎng)。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，多電平變換器可用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換。此外，多電平變換器在高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償及有源濾波等電力系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。綜上所述，多電平變換器在現(xiàn)代工業(yè)和能源系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。對多電平變換器進(jìn)行深入研究，不僅有助于推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展，提升電力變換的效率和質(zhì)量，還能為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題提供有效的技術(shù)手段，對促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2多電平變換器的發(fā)展歷程多電平變換器的發(fā)展歷程是電力電子技術(shù)不斷創(chuàng)新與突破的生動(dòng)體現(xiàn)，其起源可追溯到20世紀(jì)70年代。1975年，L.Gyugyi和B.R.Pelly提出了具有層疊式結(jié)構(gòu)的多電平變換器，盡管當(dāng)時(shí)該技術(shù)尚處于概念性的萌芽階段，但這一開創(chuàng)性的設(shè)想為后續(xù)多電平變換器的發(fā)展奠定了理論基石，也拉開了多電平變換器研究的序幕。到了1980年，日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人在IEEE工業(yè)應(yīng)用IAS年會上提出中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器，這一成果標(biāo)志著多電平變換器從理論走向?qū)嵺`，真正開啟了多電平變換器的發(fā)展時(shí)代。1983年，Bhagwat和Stefanovic進(jìn)一步將三電平逆變器推廣到多電平的結(jié)構(gòu)，為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了新思路，多電平變換器開始在高壓大功率變頻調(diào)速方面嶄露頭角。此后，其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式上不斷發(fā)展，形成多個(gè)分支，逐漸在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。在20世紀(jì)90年代，隨著電力電子器件性能的不斷提升，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)和發(fā)展，為多電平變換器的發(fā)展提供了更有力的硬件支持。這一時(shí)期，飛跨電容型多電平變換器和級聯(lián)型多電平變換器等新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼被提出。飛跨電容型多電平變換器通過在每相橋臂上串聯(lián)電容，并在適當(dāng)?shù)拈_關(guān)狀態(tài)下將這些電容投入或切除，從而實(shí)現(xiàn)多電平輸出，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓利用率；級聯(lián)型多電平變換器由多個(gè)獨(dú)立的H橋單元級聯(lián)而成，每個(gè)H橋單元都可以獨(dú)立控制，具有模塊化程度高、易于擴(kuò)展和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，成為高壓大功率應(yīng)用中的有力競爭者。這些新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，進(jìn)一步豐富了多電平變換器的技術(shù)體系，推動(dòng)其在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。進(jìn)入21世紀(jì)，多電平變換器的研究和應(yīng)用得到了更為迅猛的發(fā)展。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的興起，對電能轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)提出了更高的要求，多電平變換器因其在提高電能質(zhì)量、降低諧波污染、提升系統(tǒng)效率等方面的優(yōu)勢，成為新能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，多電平變換器可實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電能的高效轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)，提高光伏發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，它能夠有效應(yīng)對風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和電能的優(yōu)質(zhì)輸出。同時(shí)，在高壓直流輸電、柔性交流輸電等電力系統(tǒng)領(lǐng)域，多電平變換器也發(fā)揮著不可或缺的作用，為實(shí)現(xiàn)電力的高效傳輸和靈活控制提供了重要技術(shù)支撐。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)的快速發(fā)展，多電平變換器的控制策略和調(diào)制技術(shù)也取得了顯著進(jìn)展。先進(jìn)的控制算法如模型預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等被引入多電平變換器的控制中，這些算法能夠根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和控制精度，使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境。在調(diào)制技術(shù)方面，除了傳統(tǒng)的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量調(diào)制（SVM）等策略不斷優(yōu)化外，一些新型調(diào)制策略如特定諧波消除調(diào)制、載波交疊調(diào)制等也應(yīng)運(yùn)而生，這些調(diào)制策略能夠在不同程度上提高變換器的輸出電壓質(zhì)量，降低諧波含量，提升系統(tǒng)的整體性能。多電平變換器從最初的概念提出，歷經(jīng)關(guān)鍵技術(shù)的突破和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，再到如今在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其發(fā)展歷程見證了電力電子技術(shù)的飛速進(jìn)步。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，多電平變換器有望在性能提升、成本降低、應(yīng)用拓展等方面取得更大的突破，為推動(dòng)能源革命和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮更加重要的作用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文將圍繞多電平變換器展開全面深入的研究，具體內(nèi)容如下：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究：全面剖析多電平變換器的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括二極管中點(diǎn)箝位型、飛跨電容型、具有獨(dú)立直流電源級聯(lián)型以及混合的級聯(lián)型等。分析每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理、特點(diǎn)、優(yōu)勢與局限性，例如二極管中點(diǎn)箝位型便于雙向功率流控制，但電容均壓較為復(fù)雜和困難；飛跨電容型可省掉大量箝位二極管，但電容體積大、成本高、封裝難，且開關(guān)頻率增高會導(dǎo)致開關(guān)損耗增大、效率降低；具有獨(dú)立直流電源級聯(lián)型使用二極管數(shù)目少，無電壓不平衡問題，但需多路獨(dú)立直流電源。同時(shí)，研究不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同應(yīng)用場景下的適用性，為實(shí)際工程應(yīng)用中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇提供理論依據(jù)。工作原理研究：深入探究多電平變換器的工作原理，涵蓋直流電壓分壓、開關(guān)管控制、輸出濾波等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。詳細(xì)分析在不同工作模式下，開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)序，以及如何通過精確控制這些時(shí)序和占空比來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的多電平電壓輸出。研究不同電平數(shù)下變換器的工作特性，以及電平數(shù)的增加對輸出電壓波形質(zhì)量、諧波含量、功率器件應(yīng)力等方面的影響。控制策略研究：對多電平變換器的多種控制策略進(jìn)行深入研究，如階梯波脈寬調(diào)制、特定消諧波PWM、載波PWM、空間矢量PWM、Sigma-delta調(diào)制法等。分析每種控制策略的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)以及適用場景。例如，階梯波脈寬調(diào)制對功率器件開關(guān)頻率要求不高，調(diào)制比變化范圍寬且算法簡單，硬件實(shí)現(xiàn)方便，但輸出波形諧波含量高；特定消諧波PWM可有選擇性地消除特定次諧波，提高輸出波形質(zhì)量，減少THD，但計(jì)算開關(guān)點(diǎn)時(shí)需解非線性超越方程，計(jì)算復(fù)雜，目前實(shí)際應(yīng)用多局限在三電平結(jié)構(gòu)中。研究如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇合適的控制策略或?qū)ΜF(xiàn)有控制策略進(jìn)行優(yōu)化組合，以提高變換器的性能，包括提高電壓利用率、降低諧波含量、增強(qiáng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等。調(diào)制策略研究：重點(diǎn)研究多電平變換器的調(diào)制策略，如載波層疊調(diào)制策略、空間矢量調(diào)制策略、特定諧波消除調(diào)制策略等。分析這些調(diào)制策略的原理、實(shí)現(xiàn)方法以及對變換器輸出性能的影響。例如，載波層疊調(diào)制策略通過多個(gè)載波信號的疊加產(chǎn)生多電平輸出，能有效利用直流電壓，提高電壓利用率，但調(diào)制過程中需精確控制各個(gè)載波的相位和幅度；空間矢量調(diào)制策略將多電平變換器的輸出狀態(tài)映射到空間矢量圖中，通過選擇合適的矢量組合來生成多電平輸出，調(diào)制過程直觀且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，但需充分考慮矢量的選擇和切換過程，以確保輸出的平滑性和穩(wěn)定性。研究如何改進(jìn)和優(yōu)化調(diào)制策略，以進(jìn)一步提高變換器的輸出電壓質(zhì)量，降低諧波含量，提升系統(tǒng)的整體性能。應(yīng)用領(lǐng)域研究：調(diào)研多電平變換器在新能源發(fā)電、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用情況。分析在不同應(yīng)用領(lǐng)域中，多電平變換器所發(fā)揮的作用、面臨的挑戰(zhàn)以及解決方案。在新能源發(fā)電領(lǐng)域，研究多電平變換器如何實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的高效、穩(wěn)定并網(wǎng)，以及如何應(yīng)對新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性問題；在工業(yè)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，探討多電平變換器如何滿足工業(yè)電機(jī)對高性能、高可靠性調(diào)速的需求，以及如何提高工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量；在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，研究多電平變換器在電動(dòng)汽車、電動(dòng)飛機(jī)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及如何提升交通運(yùn)輸工具的能源利用效率和運(yùn)行性能；在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，分析多電平變換器在高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償及有源濾波等方面的應(yīng)用，以及如何提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。通過對應(yīng)用領(lǐng)域的研究，為多電平變換器的進(jìn)一步優(yōu)化和拓展應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。1.3.2研究方法為確保研究的全面性、深入性和可靠性，本文將綜合運(yùn)用多種研究方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于多電平變換器的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、研究報(bào)告、專利資料等，全面了解多電平變換器的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及已取得的研究成果。對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，總結(jié)多電平變換器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略、調(diào)制策略等方面的研究進(jìn)展，找出當(dāng)前研究中存在的問題和不足，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。理論分析法：基于電力電子技術(shù)的基本原理和相關(guān)理論，對多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制策略和調(diào)制策略進(jìn)行深入的理論分析。建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用電路分析、電磁理論、控制理論等知識，推導(dǎo)和分析變換器的性能指標(biāo)，如輸出電壓、電流、諧波含量、功率因數(shù)等，從理論層面揭示多電平變換器的工作特性和內(nèi)在規(guī)律。仿真分析法：利用專業(yè)的電力電子仿真軟件，如MATLAB/Simulink、PSIM等，搭建多電平變換器的仿真模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)，對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和調(diào)制策略下的多電平變換器進(jìn)行性能模擬和分析。觀察變換器的輸出波形，測量各項(xiàng)性能指標(biāo)，對比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，驗(yàn)證理論分析的正確性，為實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。在仿真過程中，還可以對各種參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整和優(yōu)化，研究參數(shù)變化對變換器性能的影響，從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)研究法：搭建多電平變換器的實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果，進(jìn)一步研究多電平變換器在實(shí)際運(yùn)行中的性能表現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，測量變換器的輸入輸出電壓、電流、功率等參數(shù)，觀察輸出波形的質(zhì)量，分析變換器的效率、諧波特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等性能指標(biāo)。同時(shí)，研究實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，如功率器件的發(fā)熱、電磁干擾等，并提出相應(yīng)的解決方案。實(shí)驗(yàn)研究可以為多電平變換器的實(shí)際應(yīng)用提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。二、多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.1二極管箝位型（NPC）2.1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解析二極管箝位型（NPC）多電平變換器，也被稱作中點(diǎn)箝位型多電平變換器，是多電平變換器中最早被提出且應(yīng)用較為廣泛的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其基本原理是利用二極管的單向?qū)щ娦詫﹂_關(guān)器件進(jìn)行箝位，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)電平的輸出。以三電平二極管箝位型逆變器為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由功率開關(guān)管、二極管和電容組成。在每相橋臂上，通常包含四個(gè)功率開關(guān)管S_{1}、S_{2}、S_{3}、S_{4}，兩個(gè)箝位二極管D_{1}、D_{2}以及兩個(gè)分壓電容C_{1}、C_{2}。兩個(gè)分壓電容C_{1}和C_{2}串聯(lián)連接在直流母線兩端，將直流母線電壓V_{dc}等分為兩個(gè)相等的電壓V_{C1}=V_{C2}=V_{dc}/2，它們的連接點(diǎn)即為中點(diǎn)O。每個(gè)功率開關(guān)管都反并聯(lián)一個(gè)二極管，以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。箝位二極管D_{1}的陽極連接到中點(diǎn)O，陰極連接到功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)；箝位二極管D_{2}的陰極連接到中點(diǎn)O，陽極連接到功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)。通過合理控制這四個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，以及箝位二極管的箝位作用，逆變器的輸出端A可以得到三個(gè)不同的電平：+V_{dc}/2、0和-V_{dc}/2。當(dāng)需要擴(kuò)展到更多電平時(shí)，以五電平二極管箝位型逆變器為例，每相橋臂上的功率開關(guān)管數(shù)量增加到八個(gè)，分別為S_{1}-S_{8}，箝位二極管的數(shù)量也相應(yīng)增加到六個(gè)，分別為D_{1}-D_{6}，分壓電容同樣為四個(gè)，C_{1}-C_{4}。四個(gè)分壓電容將直流母線電壓V_{dc}等分為四個(gè)相等的電壓V_{C1}=V_{C2}=V_{C3}=V_{C4}=V_{dc}/4。通過對這些功率開關(guān)管和箝位二極管的協(xié)同控制，逆變器輸出端可得到五個(gè)不同的電平：+V_{dc}/2、+V_{dc}/4、0、-V_{dc}/4和-V_{dc}/2。隨著電平數(shù)的增加，二極管箝位型多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度也會顯著增加。不僅功率開關(guān)管和箝位二極管的數(shù)量大幅增多，電容的數(shù)量也相應(yīng)增加，這使得電路的設(shè)計(jì)、布局和調(diào)試變得更加困難。而且，過多的器件也會導(dǎo)致系統(tǒng)的成本上升，可靠性下降。此外，在高壓應(yīng)用中，由于器件數(shù)量眾多，各器件之間的參數(shù)差異可能會導(dǎo)致電壓分配不均等問題，需要采取更加復(fù)雜的均壓措施來確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。2.1.2工作原理分析以三電平二極管箝位型逆變器的A相為例，其工作原理如下：輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，S_{3}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線的正端出發(fā)，經(jīng)過S_{1}、S_{2}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為+V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，箝位二極管D_{1}承受反向電壓截止，D_{2}同樣承受反向電壓截止。由于S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，電流路徑暢通，電容C_{1}和C_{2}相當(dāng)于串聯(lián)在直流母線中，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。輸出電平為0時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}導(dǎo)通，S_{1}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線正端出發(fā)，經(jīng)過S_{2}、中點(diǎn)O、S_{3}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為0。此時(shí)，箝位二極管D_{1}導(dǎo)通，將S_{2}和S_{3}連接點(diǎn)的電位箝位到中點(diǎn)O的電位，即V_{dc}/2，D_{2}承受反向電壓截止。在這種狀態(tài)下，電容C_{1}為電流提供通路，而電容C_{2}則處于隔離狀態(tài)，不參與電流傳輸。輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{3}和S_{4}導(dǎo)通，S_{1}和S_{2}關(guān)斷時(shí)，電流從負(fù)載出發(fā)，經(jīng)過S_{3}、S_{4}流向直流母線的負(fù)端，此時(shí)負(fù)載端的電壓為-V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，箝位二極管D_{1}承受反向電壓截止，D_{2}導(dǎo)通，將S_{2}和S_{3}連接點(diǎn)的電位箝位到中點(diǎn)O的電位，即-V_{dc}/2。此時(shí)，電容C_{2}為電流提供通路，電容C_{1}處于隔離狀態(tài)。通過按照一定的規(guī)律和時(shí)序，周期性地控制這四個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，就可以在輸出端得到一個(gè)三電平的交流電壓波形。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。通過改變PWM信號的占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，以滿足不同負(fù)載的需求。同時(shí)，為了減少輸出電壓的諧波含量，還可以采用各種優(yōu)化的PWM策略，如正弦脈寬調(diào)制（SPWM）、空間矢量調(diào)制（SVM）等。這些調(diào)制策略通過巧妙地控制功率開關(guān)管的開關(guān)時(shí)刻和導(dǎo)通時(shí)間，使得輸出電壓波形更加接近正弦波，從而提高電能質(zhì)量。2.1.3優(yōu)缺點(diǎn)探討二極管箝位型多電平變換器具有一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)應(yīng)力低：在n電平的二極管箝位型變換器中，每個(gè)功率器件承受的電壓僅為母線電壓的1/(n-1)。以三電平變換器為例，每個(gè)功率器件承受的電壓僅為直流母線電壓的一半，這使得可以使用低壓器件來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出，降低了對功率器件耐壓等級的要求，同時(shí)也無需復(fù)雜的動(dòng)態(tài)均壓電路，減少了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。便于雙向功率流控制：由于二極管箝位型多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其能夠方便地實(shí)現(xiàn)雙向功率流控制。在一些需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用場景中，如電機(jī)的電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)切換、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的能量存儲和釋放等，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和靈活性。功率因數(shù)控制方便：通過合理控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以方便地對二極管箝位型多電平變換器的功率因數(shù)進(jìn)行控制。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)負(fù)載的需求和電網(wǎng)的要求，靈活調(diào)整功率因數(shù)，提高電能的利用效率，減少對電網(wǎng)的諧波污染，滿足相關(guān)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。然而，二極管箝位型多電平變換器也存在一些不足之處：電容均壓復(fù)雜困難：在二極管箝位型多電平變換器中，多個(gè)電容串聯(lián)分壓來提供不同的電平。由于電容的特性差異、開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻不一致以及負(fù)載的變化等因素，會導(dǎo)致電容電壓不平衡。電容電壓不平衡會影響變換器的正常工作，可能導(dǎo)致輸出電壓畸變、諧波含量增加，甚至損壞功率器件。為了解決電容均壓問題，需要采用復(fù)雜的均壓控制策略，增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成本。這些均壓控制策略通常需要實(shí)時(shí)監(jiān)測電容電壓，并根據(jù)電壓差異調(diào)整功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)電容電壓的均衡。器件數(shù)量較多：隨著電平數(shù)的增加，二極管箝位型多電平變換器所需的功率開關(guān)管、二極管和電容等器件數(shù)量急劇增加。以五電平變換器為例，每相橋臂上的功率開關(guān)管數(shù)量達(dá)到八個(gè)，箝位二極管數(shù)量增加到六個(gè)，分壓電容數(shù)量為四個(gè)。過多的器件不僅增加了系統(tǒng)的成本，還會使電路的體積增大，散熱問題更加突出，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)槿魏我粋€(gè)器件的故障都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。箝位二極管反向恢復(fù)問題：箝位二極管在工作過程中存在反向恢復(fù)問題，即當(dāng)二極管從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，會產(chǎn)生反向恢復(fù)電流。這個(gè)反向恢復(fù)電流會導(dǎo)致電壓尖峰和電磁干擾，影響變換器的性能和可靠性。為了減小反向恢復(fù)電流的影響，需要選擇合適的箝位二極管，并采取相應(yīng)的緩沖電路等措施，但這又會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。2.2飛跨電容型（FC）2.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)飛跨電容型（FC）多電平變換器是多電平變換器家族中的重要成員，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的特點(diǎn)。以三電平飛跨電容型逆變器為例，它主要由功率開關(guān)管、飛跨電容和反并聯(lián)二極管組成。在每相橋臂上，通常包含四個(gè)功率開關(guān)管S_{1}、S_{2}、S_{3}、S_{4}，一個(gè)飛跨電容C_{f}以及四個(gè)反并聯(lián)二極管D_{1}、D_{2}、D_{3}、D_{4}。直流母線電壓V_{dc}由兩個(gè)電容C_{1}和C_{2}串聯(lián)分壓得到，飛跨電容C_{f}連接在功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)與中點(diǎn)O之間。飛跨電容在電路中起著至關(guān)重要的作用。它主要用于平衡不同電平之間的電壓，通過在不同的開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)電壓的箝位和電平的轉(zhuǎn)換。在三電平變換器中，當(dāng)輸出電平發(fā)生變化時(shí)，飛跨電容會相應(yīng)地進(jìn)行充電或放電，以確保每個(gè)功率開關(guān)管承受的電壓保持在合理范圍內(nèi)。當(dāng)從輸出電平+V_{dc}/2轉(zhuǎn)換到0電平時(shí)，飛跨電容會通過特定的開關(guān)路徑進(jìn)行放電，使得功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}兩端的電壓能夠平穩(wěn)過渡，避免出現(xiàn)電壓突變，從而保護(hù)功率開關(guān)管。與二極管箝位型多電平變換器相比，飛跨電容型多電平變換器采用電容取代了大量的箝位二極管，這使得它在某些方面具有優(yōu)勢。由于減少了二極管的使用，降低了電路中二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，提高了系統(tǒng)的效率；而且，飛跨電容的箝位作用相對更加靈活，能夠更好地適應(yīng)不同的工作條件和負(fù)載變化。然而，飛跨電容型多電平變換器也存在一些缺點(diǎn)。隨著電平數(shù)的增加，所需的飛跨電容數(shù)量也會顯著增加。以五電平飛跨電容型逆變器為例，每相橋臂上需要的飛跨電容數(shù)量增加到四個(gè)，這不僅增加了電路的復(fù)雜性和成本，還使得電容的體積和重量成為制約因素，尤其是在高壓系統(tǒng)中，電容體積大、成本高、封裝難的問題更加突出。此外，多個(gè)電容的參數(shù)一致性也難以保證，可能會導(dǎo)致電壓不平衡等問題，影響變換器的性能和可靠性。2.2.2工作原理闡述飛跨電容型多電平變換器通過電容的充放電來實(shí)現(xiàn)電平變換。仍以三電平飛跨電容型逆變器的A相為例，其工作原理如下：輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，S_{3}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線的正端出發(fā)，經(jīng)過S_{1}、S_{2}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為+V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，飛跨電容C_{f}處于充電狀態(tài)，其充電電流路徑為：從直流母線正端，經(jīng)過S_{1}、飛跨電容C_{f}、S_{2}到負(fù)載，飛跨電容C_{f}兩端的電壓逐漸升高。輸出電平為0時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}導(dǎo)通，S_{1}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線正端出發(fā)，經(jīng)過S_{2}、中點(diǎn)O、S_{3}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為0。在這個(gè)狀態(tài)下，飛跨電容C_{f}處于放電狀態(tài)，其放電電流路徑為：從飛跨電容C_{f}的正極，經(jīng)過S_{2}、中點(diǎn)O、S_{3}到負(fù)載，再回到飛跨電容C_{f}的負(fù)極，通過放電，飛跨電容C_{f}兩端的電壓逐漸降低。輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{3}和S_{4}導(dǎo)通，S_{1}和S_{2}關(guān)斷時(shí)，電流從負(fù)載出發(fā)，經(jīng)過S_{3}、S_{4}流向直流母線的負(fù)端，此時(shí)負(fù)載端的電壓為-V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，飛跨電容C_{f}再次處于充電狀態(tài)，其充電電流路徑為：從負(fù)載，經(jīng)過S_{3}、飛跨電容C_{f}、S_{4}到直流母線負(fù)端，飛跨電容C_{f}兩端的電壓又開始升高。通過周期性地控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使飛跨電容在不同的開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓在+V_{dc}/2、0和-V_{dc}/2三個(gè)電平之間的切換。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的輸出電壓，通常會采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，可以精確地控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值。采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)時(shí)，以正弦波作為調(diào)制信號，與三角波載波進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果生成PWM信號，控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使輸出電壓波形更加接近正弦波，降低諧波含量。2.2.3性能分析飛跨電容型變換器在性能方面具有一些顯著的特點(diǎn)：開關(guān)頻率方面：在輸出相同質(zhì)量波形的情況下，飛跨電容型多電平變換器的開關(guān)頻率相對較高。這是因?yàn)殡S著電平數(shù)的增加，為了保證輸出電壓的精度和波形質(zhì)量，需要更頻繁地切換功率開關(guān)管的狀態(tài)，從而導(dǎo)致開關(guān)頻率增高。然而，開關(guān)頻率的增高也帶來了一些問題，如開關(guān)損耗增大。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，過高的開關(guān)頻率會使功率開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生更多的能量損耗，導(dǎo)致變換器的效率降低。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在保證輸出波形質(zhì)量的前提下，合理選擇開關(guān)頻率，以平衡開關(guān)損耗和輸出性能之間的關(guān)系。電壓平衡控制方面：飛跨電容型多電平變換器的電壓平衡控制較為復(fù)雜。由于多個(gè)飛跨電容的存在，且電容的參數(shù)可能存在差異，以及負(fù)載的變化等因素，容易導(dǎo)致電容電壓不平衡。電容電壓不平衡會影響變換器的正常工作，可能使輸出電壓波形發(fā)生畸變，諧波含量增加，甚至損壞功率器件。為了解決電壓平衡問題，需要采用復(fù)雜的控制策略。這些策略通常包括實(shí)時(shí)監(jiān)測電容電壓，根據(jù)電壓差異調(diào)整功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷順序和時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電容電壓的均衡。通過引入電壓平衡控制算法，對飛跨電容的充放電過程進(jìn)行精確控制，確保各個(gè)電容的電壓保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。器件成本方面：與二極管箝位型多電平變換器相比，飛跨電容型多電平變換器在器件成本上具有一定的特點(diǎn)。雖然它減少了箝位二極管的使用，降低了二極管的成本，但增加了飛跨電容的數(shù)量。在高壓系統(tǒng)中，飛跨電容的體積大、成本高，使得整個(gè)變換器的成本仍然較高。而且，由于飛跨電容的參數(shù)一致性要求較高，為了保證變換器的性能，需要選擇高質(zhì)量的電容，這也進(jìn)一步增加了成本。此外，隨著電平數(shù)的增加，所需的功率開關(guān)管數(shù)量也會增加，這同樣會導(dǎo)致成本上升。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮變換器的性能和成本，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件。2.3級聯(lián)型（CHB）2.3.1電路結(jié)構(gòu)介紹級聯(lián)型（CHB）多電平變換器由多個(gè)單相全橋變換器（H橋）級聯(lián)而成。以單相級聯(lián)型五電平變換器為例，其電路結(jié)構(gòu)包含三個(gè)獨(dú)立的H橋模塊，每個(gè)H橋模塊由四個(gè)功率開關(guān)管和一個(gè)獨(dú)立的直流電源組成。在每個(gè)H橋模塊中，四個(gè)功率開關(guān)管S_{11}、S_{12}、S_{13}、S_{14}（以第一個(gè)H橋模塊為例）組成一個(gè)全橋結(jié)構(gòu)，通過控制這四個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在+V_{dc1}、0和-V_{dc1}之間切換（V_{dc1}為該H橋模塊的直流電源電壓）。當(dāng)S_{11}和S_{14}導(dǎo)通，S_{12}和S_{13}關(guān)斷時(shí)，H橋模塊輸出電壓為+V_{dc1}；當(dāng)S_{12}和S_{13}導(dǎo)通，S_{11}和S_{14}關(guān)斷時(shí)，輸出電壓為-V_{dc1}；當(dāng)S_{11}和S_{13}導(dǎo)通，或者S_{12}和S_{14}導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為0。多個(gè)H橋模塊在輸出端串聯(lián)連接，通過對各個(gè)H橋模塊輸出電壓的組合，可以實(shí)現(xiàn)多電平輸出。在這個(gè)五電平變換器中，通過合理控制三個(gè)H橋模塊的輸出狀態(tài)，可使變換器輸出端得到五個(gè)不同的電平：+2V_{dc}、+V_{dc}、0、-V_{dc}和-2V_{dc}（假設(shè)每個(gè)H橋模塊的直流電源電壓均為V_{dc}）。如果需要擴(kuò)展到更多電平，只需增加H橋模塊的數(shù)量即可。例如，要實(shí)現(xiàn)七電平輸出，可以增加一個(gè)H橋模塊，通過四個(gè)H橋模塊的協(xié)同工作，就能夠輸出+3V_{dc}、+2V_{dc}、+V_{dc}、0、-V_{dc}、-2V_{dc}和-3V_{dc}七個(gè)電平。這種模塊化的電路結(jié)構(gòu)使得級聯(lián)型多電平變換器具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和靈活性，能夠方便地根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行電平數(shù)的調(diào)整和擴(kuò)展。2.3.2工作原理探究級聯(lián)型多電平變換器的工作原理基于各個(gè)H橋模塊的協(xié)同工作。每個(gè)H橋模塊都可以獨(dú)立控制，通過改變其內(nèi)部功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，輸出不同的電平。在運(yùn)行過程中，通過對各個(gè)H橋模塊輸出電平的組合，實(shí)現(xiàn)多電平輸出。以一個(gè)三電平級聯(lián)型變換器（由兩個(gè)H橋模塊組成）為例，其工作過程如下：當(dāng)需要輸出電平為+2V_{dc}時(shí)，第一個(gè)H橋模塊輸出+V_{dc}，第二個(gè)H橋模塊也輸出+V_{dc}，兩個(gè)H橋模塊輸出電壓串聯(lián)疊加，得到+2V_{dc}的輸出電平。具體來說，第一個(gè)H橋模塊中，S_{11}和S_{14}導(dǎo)通，S_{12}和S_{13}關(guān)斷；第二個(gè)H橋模塊中，S_{21}和S_{24}導(dǎo)通，S_{22}和S_{23}關(guān)斷。當(dāng)需要輸出電平為+V_{dc}時(shí)，有兩種情況。一種是第一個(gè)H橋模塊輸出+V_{dc}，第二個(gè)H橋模塊輸出0；另一種是第一個(gè)H橋模塊輸出0，第二個(gè)H橋模塊輸出+V_{dc}。第一種情況下，第一個(gè)H橋模塊中，S_{11}和S_{14}導(dǎo)通，S_{12}和S_{13}關(guān)斷；第二個(gè)H橋模塊中，S_{21}和S_{23}導(dǎo)通，或者S_{22}和S_{24}導(dǎo)通。第二種情況則反之。當(dāng)需要輸出電平為0時(shí)，第一個(gè)H橋模塊輸出0，第二個(gè)H橋模塊也輸出0。此時(shí)，兩個(gè)H橋模塊中，均是S_{11}和S_{13}導(dǎo)通，或者S_{12}和S_{14}導(dǎo)通。當(dāng)需要輸出電平為-V_{dc}時(shí)，與輸出+V_{dc}的情況類似，只是兩個(gè)H橋模塊的輸出電平符號相反。一種是第一個(gè)H橋模塊輸出-V_{dc}，第二個(gè)H橋模塊輸出0；另一種是第一個(gè)H橋模塊輸出0，第二個(gè)H橋模塊輸出-V_{dc}。當(dāng)需要輸出電平為-2V_{dc}時(shí)，第一個(gè)H橋模塊輸出-V_{dc}，第二個(gè)H橋模塊也輸出-V_{dc}，兩個(gè)H橋模塊輸出電壓串聯(lián)疊加，得到-2V_{dc}的輸出電平。此時(shí)，第一個(gè)H橋模塊中，S_{12}和S_{13}導(dǎo)通，S_{11}和S_{14}關(guān)斷；第二個(gè)H橋模塊中，S_{22}和S_{23}導(dǎo)通，S_{21}和S_{24}關(guān)斷。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)來控制H橋模塊中功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。通過改變PWM信號的占空比，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，以滿足不同負(fù)載的需求。采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)時(shí)，以正弦波作為調(diào)制信號，與三角波載波進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果生成PWM信號，控制各個(gè)H橋模塊中功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使輸出電壓波形更加接近正弦波，降低諧波含量。獨(dú)立直流電源在級聯(lián)型多電平變換器中起著至關(guān)重要的作用。每個(gè)H橋模塊都由一個(gè)獨(dú)立的直流電源供電，這使得各個(gè)H橋模塊能夠獨(dú)立工作，互不干擾。獨(dú)立直流電源為H橋模塊提供了穩(wěn)定的直流電壓，保證了H橋模塊能夠正常輸出不同的電平。在一些應(yīng)用場景中，如可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立直流電源可以直接由光伏電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等可再生能源發(fā)電裝置提供，實(shí)現(xiàn)了能源的直接利用和高效轉(zhuǎn)換。而且，獨(dú)立直流電源的存在使得級聯(lián)型多電平變換器不存在電容均壓問題，這是其相對于二極管箝位型和飛跨電容型多電平變換器的一個(gè)重要優(yōu)勢。由于不需要考慮電容均壓問題，級聯(lián)型多電平變換器的控制相對簡單，可靠性更高。2.3.3應(yīng)用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)級聯(lián)型多電平變換器在應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢：模塊化程度高：級聯(lián)型多電平變換器采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)H橋模塊都是一個(gè)獨(dú)立的單元，具有相同的結(jié)構(gòu)和功能。這種模塊化的設(shè)計(jì)使得變換器的組裝和維護(hù)更加方便。在生產(chǎn)過程中，可以先分別生產(chǎn)各個(gè)H橋模塊，然后再將它們級聯(lián)起來組成完整的變換器，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在維護(hù)時(shí)，如果某個(gè)H橋模塊出現(xiàn)故障，只需要更換該模塊即可，而不會影響整個(gè)變換器的運(yùn)行，降低了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。擴(kuò)展性好：通過增加或減少H橋模塊的數(shù)量，可以方便地?cái)U(kuò)展或縮減變換器的電平數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。在需要提高輸出電壓質(zhì)量或功率等級時(shí)，可以增加H橋模塊的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更多電平的輸出；在對成本和體積有嚴(yán)格限制，且對輸出性能要求不是特別高的情況下，可以減少H橋模塊的數(shù)量，降低成本和體積。這種良好的擴(kuò)展性使得級聯(lián)型多電平變換器能夠廣泛應(yīng)用于不同規(guī)模和要求的電力系統(tǒng)中。無電壓不平衡問題：由于每個(gè)H橋模塊由獨(dú)立的直流電源供電，不存在電容電壓不平衡的問題，這大大簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。相比之下，二極管箝位型和飛跨電容型多電平變換器需要復(fù)雜的均壓控制策略來解決電容電壓不平衡問題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。而級聯(lián)型多電平變換器則無需考慮這些問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。然而，級聯(lián)型多電平變換器也面臨一些挑戰(zhàn)：獨(dú)立直流電源成本高：每個(gè)H橋模塊都需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源，這增加了系統(tǒng)的成本。在一些大規(guī)模應(yīng)用中，如高壓直流輸電系統(tǒng)，需要大量的H橋模塊，也就需要大量的獨(dú)立直流電源，這使得系統(tǒng)的成本大幅上升。此外，獨(dú)立直流電源的管理和維護(hù)也需要額外的成本和技術(shù)支持。獨(dú)立直流電源獲取困難：在某些情況下，獲取多個(gè)獨(dú)立的直流電源可能比較困難。在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或特殊應(yīng)用場景中，可能無法提供足夠數(shù)量的獨(dú)立直流電源，這限制了級聯(lián)型多電平變換器的應(yīng)用。而且，獨(dú)立直流電源的穩(wěn)定性和可靠性也會影響整個(gè)變換器的性能，如果某個(gè)直流電源出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致對應(yīng)的H橋模塊無法正常工作，從而影響變換器的輸出。控制復(fù)雜度較高：雖然級聯(lián)型多電平變換器不存在電容均壓問題，但由于多個(gè)H橋模塊需要協(xié)同工作，其控制復(fù)雜度仍然較高。需要精確控制每個(gè)H橋模塊中功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)序，以確保輸出電壓的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。而且，在不同的工作條件和負(fù)載變化下，還需要實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略，以保證變換器的性能。這對控制系統(tǒng)的計(jì)算能力和響應(yīng)速度提出了較高的要求。2.4其他新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出了多種新型多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些新型拓?fù)湓诶^承傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對其存在的問題進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。一種基于Zeta變換器演變推導(dǎo)的新型飛跨電容型多電平逆變器被提出，它由Zeta變換器演變而來，具備可升降壓、電容可自均壓、鉗位器件少以及拓?fù)溲诱剐院玫葍?yōu)勢，克服了傳統(tǒng)多電平逆變器在應(yīng)用方面的局限性。該拓?fù)渫ㄟ^將基本單元在輸入側(cè)并聯(lián)、輸出側(cè)串聯(lián)組合而成，中間電容器與輸出濾波器采用復(fù)用原則，減少了無源器件數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)單級升降壓逆變。在新能源發(fā)電等需要寬電壓輸入的應(yīng)用場合，這種新型拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)輸入電壓的寬范圍變化，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能輸出，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。模塊化多電平矩陣變換器（MMMC）也是一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它結(jié)合了模塊化多電平變換器和矩陣變換器的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入輸出諧波特性良好、輸入可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)等優(yōu)勢，在中低壓電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域展現(xiàn)出了應(yīng)用潛力。MMMC采用模塊化設(shè)計(jì)，通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，并且可以擴(kuò)展到任意電平輸出。其輸入側(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)，這意味著在電能轉(zhuǎn)換過程中，能夠更有效地利用電能，減少對電網(wǎng)的諧波污染，提高電能質(zhì)量；輸出側(cè)諧波含量低，能夠?yàn)殡姍C(jī)提供更穩(wěn)定、高質(zhì)量的電源，有利于提高電機(jī)的運(yùn)行效率和壽命。還有一種新型模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該種子模塊可以輸出0、1、2三種電平，與原有的半橋結(jié)構(gòu)相比，在輸出同樣電平數(shù)的情況下，這種新型拓?fù)淇梢怨?jié)省25%的IGBT，而且減少了子模塊的總數(shù)，從而減小了換流站的占地面積。在高壓直流輸電等需要大量功率器件的應(yīng)用中，減少IGBT的使用數(shù)量和子模塊總數(shù)，不僅能夠降低成本，還能提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)和控制策略，在不同方面克服了傳統(tǒng)拓?fù)涞牟蛔?，為多電平變換器的發(fā)展注入了新的活力。它們在新能源發(fā)電、高壓直流輸電、電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，有望在未來的電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信這些新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，推動(dòng)多電平變換器技術(shù)邁向新的臺階。三、多電平變換器的工作原理3.1基本工作原理3.1.1電平合成原理多電平變換器的核心在于電平合成，其通過巧妙地組合多個(gè)基本的電平單元，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的多樣化和精細(xì)化控制。以常見的三電平變換器為例，如二極管箝位型三電平變換器，其直流側(cè)由兩個(gè)電容串聯(lián)分壓，將直流母線電壓V_{dc}分為+V_{dc}/2、0和-V_{dc}/2三個(gè)電平。通過控制不同開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將這些基本電平進(jìn)行組合，從而在輸出端得到不同的電壓電平。當(dāng)需要輸出+V_{dc}/2電平時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，將直流側(cè)的+V_{dc}/2電平連接到輸出端；當(dāng)需要輸出0電平時(shí)，通過特定的開關(guān)組合，使輸出端與直流側(cè)的中點(diǎn)電位相連；當(dāng)需要輸出-V_{dc}/2電平時(shí)，切換開關(guān)狀態(tài)，將-V_{dc}/2電平連接到輸出端。對于更高電平數(shù)的變換器，如五電平變換器，直流側(cè)通過多個(gè)電容進(jìn)一步細(xì)分電壓，將直流母線電壓V_{dc}分為+V_{dc}/2、+V_{dc}/4、0、-V_{dc}/4和-V_{dc}/2五個(gè)電平。通過更為復(fù)雜的開關(guān)管控制邏輯，實(shí)現(xiàn)這五個(gè)電平的靈活組合輸出。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)輸出電壓的要求，按照一定的順序和時(shí)間間隔，依次導(dǎo)通和關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)管，使得輸出電壓在不同電平之間切換，從而合成一個(gè)接近正弦波的多電平輸出電壓波形。這種通過多個(gè)電平單元合成輸出電壓的方式，相比于傳統(tǒng)的兩電平變換器，能夠有效減小輸出電壓的諧波含量，提高輸出電壓的質(zhì)量。因?yàn)殡娖綌?shù)的增加使得輸出電壓的變化更加平滑，更接近理想的正弦波，從而減少了高次諧波的產(chǎn)生，降低了對電網(wǎng)和負(fù)載的諧波污染。3.1.2開關(guān)狀態(tài)與電平輸出關(guān)系在多電平變換器中，不同的開關(guān)狀態(tài)組合決定了變換器的輸出電平。以飛跨電容型三電平逆變器為例，每相橋臂包含四個(gè)功率開關(guān)管S_{1}、S_{2}、S_{3}、S_{4}和一個(gè)飛跨電容C_{f}。當(dāng)S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，S_{3}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線正端經(jīng)S_{1}、S_{2}流向負(fù)載，此時(shí)輸出電平為+V_{dc}/2；當(dāng)S_{2}和S_{3}導(dǎo)通，S_{1}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線正端經(jīng)S_{2}、中點(diǎn)O、S_{3}流向負(fù)載，輸出電平為0；當(dāng)S_{3}和S_{4}導(dǎo)通，S_{1}和S_{2}關(guān)斷時(shí)，電流從負(fù)載經(jīng)S_{3}、S_{4}流向直流母線負(fù)端，輸出電平為-V_{dc}/2。通過合理控制這四個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間和順序，就可以在輸出端得到三電平的交流電壓波形。隨著電平數(shù)的增加，開關(guān)狀態(tài)與電平輸出的關(guān)系變得更加復(fù)雜。在五電平飛跨電容型逆變器中，每相橋臂的開關(guān)管數(shù)量增多，開關(guān)狀態(tài)組合也相應(yīng)增加。為了實(shí)現(xiàn)五個(gè)電平的輸出，需要精確控制各個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，確保在不同的時(shí)刻，能夠正確地選擇合適的開關(guān)狀態(tài)組合，以得到所需的輸出電平。而且，由于多個(gè)飛跨電容的存在，還需要考慮電容的充放電過程對開關(guān)狀態(tài)和輸出電平的影響。在不同的開關(guān)狀態(tài)下，飛跨電容會進(jìn)行相應(yīng)的充放電，這不僅會影響到電容的電壓，還會影響到開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件，進(jìn)而影響輸出電平的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。因此，在設(shè)計(jì)和控制多電平變換器時(shí)，深入理解開關(guān)狀態(tài)與電平輸出的關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。3.2以三電平變換器為例的深入分析3.2.1三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三電平變換器作為多電平變換器的典型代表，具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中二極管中點(diǎn)箝位型（NPC）、飛跨電容型（FC）和級聯(lián)型（CHB）是較為常見的三種。二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在每相橋臂上，包含四個(gè)功率開關(guān)管S_{1}、S_{2}、S_{3}、S_{4}，兩個(gè)箝位二極管D_{1}、D_{2}以及兩個(gè)分壓電容C_{1}、C_{2}。兩個(gè)分壓電容C_{1}和C_{2}串聯(lián)連接在直流母線兩端，將直流母線電壓V_{dc}等分為兩個(gè)相等的電壓V_{C1}=V_{C2}=V_{dc}/2，它們的連接點(diǎn)即為中點(diǎn)O。每個(gè)功率開關(guān)管都反并聯(lián)一個(gè)二極管，以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。箝位二極管D_{1}的陽極連接到中點(diǎn)O，陰極連接到功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)；箝位二極管D_{2}的陰極連接到中點(diǎn)O，陽極連接到功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)。通過合理控制這四個(gè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)，以及箝位二極管的箝位作用，逆變器的輸出端A可以得到三個(gè)不同的電平：+V_{dc}/2、0和-V_{dc}/2。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于開關(guān)應(yīng)力低，便于雙向功率流控制和功率因數(shù)控制；缺點(diǎn)是電容均壓復(fù)雜困難，器件數(shù)量較多，且箝位二極管存在反向恢復(fù)問題。[此處插入二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖]飛跨電容型三電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在每相橋臂上，包含四個(gè)功率開關(guān)管S_{1}、S_{2}、S_{3}、S_{4}，一個(gè)飛跨電容C_{f}以及四個(gè)反并聯(lián)二極管D_{1}、D_{2}、D_{3}、D_{4}。直流母線電壓V_{dc}由兩個(gè)電容C_{1}和C_{2}串聯(lián)分壓得到，飛跨電容C_{f}連接在功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}的連接點(diǎn)與中點(diǎn)O之間。飛跨電容在電路中起著平衡不同電平之間電壓的關(guān)鍵作用，通過在不同的開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)電壓的箝位和電平的轉(zhuǎn)換。與二極管中點(diǎn)箝位型多電平變換器相比，飛跨電容型多電平變換器采用電容取代了大量的箝位二極管，具有開關(guān)頻率相對較高、電壓平衡控制復(fù)雜、器件成本較高等特點(diǎn)。[此處插入飛跨電容型三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖]級聯(lián)型三電平變換器由多個(gè)單相全橋變換器（H橋）級聯(lián)而成，以由兩個(gè)H橋模塊組成的級聯(lián)型三電平變換器為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)H橋模塊由四個(gè)功率開關(guān)管和一個(gè)獨(dú)立的直流電源組成，通過控制每個(gè)H橋模塊中功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓在+V_{dc}、0和-V_{dc}之間切換（V_{dc}為該H橋模塊的直流電源電壓）。多個(gè)H橋模塊在輸出端串聯(lián)連接，通過對各個(gè)H橋模塊輸出電壓的組合，實(shí)現(xiàn)三電平輸出。級聯(lián)型三電平變換器具有模塊化程度高、擴(kuò)展性好、無電壓不平衡問題等優(yōu)點(diǎn)，但也面臨獨(dú)立直流電源成本高、獲取困難以及控制復(fù)雜度較高等挑戰(zhàn)。[此處插入級聯(lián)型三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖]這三種常見的三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和場景，綜合考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)、成本、可靠性等因素，選擇最合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.2.2工作模式及切換過程以二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器為例，其工作模式及切換過程如下：輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，S_{3}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線的正端出發(fā)，經(jīng)過S_{1}、S_{2}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為+V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，箝位二極管D_{1}承受反向電壓截止，D_{2}同樣承受反向電壓截止。由于S_{1}和S_{2}導(dǎo)通，電流路徑暢通，電容C_{1}和C_{2}相當(dāng)于串聯(lián)在直流母線中，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓。輸出電平為0時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{2}和S_{3}導(dǎo)通，S_{1}和S_{4}關(guān)斷時(shí)，電流從直流母線正端出發(fā)，經(jīng)過S_{2}、中點(diǎn)O、S_{3}流向負(fù)載，此時(shí)負(fù)載端的電壓為0。此時(shí)，箝位二極管D_{1}導(dǎo)通，將S_{2}和S_{3}連接點(diǎn)的電位箝位到中點(diǎn)O的電位，即V_{dc}/2，D_{2}承受反向電壓截止。在這種狀態(tài)下，電容C_{1}為電流提供通路，而電容C_{2}則處于隔離狀態(tài)，不參與電流傳輸。輸出電平為時(shí)：當(dāng)功率開關(guān)管S_{3}和S_{4}導(dǎo)通，S_{1}和S_{2}關(guān)斷時(shí)，電流從負(fù)載出發(fā)，經(jīng)過S_{3}、S_{4}流向直流母線的負(fù)端，此時(shí)負(fù)載端的電壓為-V_{dc}/2。在這個(gè)過程中，箝位二極管D_{1}承受反向電壓截止，D_{2}導(dǎo)通，將S_{2}和S_{3}連接點(diǎn)的電位箝位到中點(diǎn)O的電位，即-V_{dc}/2。此時(shí)，電容C_{2}為電流提供通路，電容C_{1}處于隔離狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)行中，為了獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的輸出電壓，通常會采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，可以精確地控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值。采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)時(shí)，以正弦波作為調(diào)制信號，與三角波載波進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果生成PWM信號，控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使輸出電壓波形更加接近正弦波，降低諧波含量。在不同工作模式之間的切換過程中，需要注意功率開關(guān)管的開關(guān)順序和時(shí)間間隔，以避免出現(xiàn)短路、過電壓等異常情況。在從輸出電平+V_{dc}/2切換到0時(shí)，應(yīng)先關(guān)斷S_{1}，經(jīng)過一定的死區(qū)時(shí)間后，再導(dǎo)通S_{3}，以防止S_{1}和S_{3}同時(shí)導(dǎo)通，造成直流母線短路。死區(qū)時(shí)間的設(shè)置需要綜合考慮功率開關(guān)管的開關(guān)速度、電路的寄生參數(shù)等因素，一般來說，死區(qū)時(shí)間過短可能無法有效避免短路問題，而過長則會導(dǎo)致輸出電壓波形出現(xiàn)畸變。此外，在切換過程中，還需要考慮箝位二極管的導(dǎo)通和關(guān)斷情況，確保電路的正常運(yùn)行。飛跨電容型三電平變換器的工作模式及切換過程與二極管中點(diǎn)箝位型有所不同，主要區(qū)別在于飛跨電容的充放電過程。在輸出電平為+V_{dc}/2時(shí)，飛跨電容處于充電狀態(tài)；在輸出電平為0時(shí)，飛跨電容處于放電狀態(tài)；在輸出電平為-V_{dc}/2時(shí)，飛跨電容再次處于充電狀態(tài)。通過合理控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使飛跨電容在不同的開關(guān)狀態(tài)下進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓在三個(gè)電平之間的切換。在切換過程中，同樣需要注意功率開關(guān)管的開關(guān)順序和時(shí)間間隔，以及飛跨電容的電壓變化情況，以確保變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。3.2.3輸出特性分析通過建立數(shù)學(xué)模型，可以深入研究三電平變換器的輸出特性。以二極管中點(diǎn)箝位型三電平變換器為例，假設(shè)輸入直流母線電壓為V_{dc}，輸出負(fù)載為電阻R和電感L串聯(lián)的形式，采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)進(jìn)行控制。在一個(gè)開關(guān)周期T_s內(nèi)，設(shè)功率開關(guān)管S_{1}和S_{2}導(dǎo)通的時(shí)間為t_1，S_{2}和S_{3}導(dǎo)通的時(shí)間為t_2，S_{3}和S_{4}導(dǎo)通的時(shí)間為t_3，且t_1+t_2+t_3=T_s。根據(jù)電路原理，在輸出電平為+V_{dc}/2時(shí)，電感電流i_L的變化率為\frac{V_{dc}/2-V_o}{L}（其中V_o為輸出電壓）；在輸出電平為0時(shí)，電感電流i_L的變化率為\frac{-V_o}{L}；在輸出電平為-V_{dc}/2時(shí)，電感電流i_L的變化率為\frac{-V_{dc}/2-V_o}{L}。通過對一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流的積分，可以得到輸出電壓的平均值V_{oavg}與占空比D_1、D_2、D_3（分別對應(yīng)S_{1}和S_{2}、S_{2}和S_{3}、S_{3}和S_{4}導(dǎo)通的占空比）之間的關(guān)系為：V_{oavg}=\frac{1}{T_s}\left(\frac{V_{dc}}{2}D_1t_1-V_oD_2t_2-\frac{V_{dc}}{2}D_3t_3\right)通過調(diào)節(jié)占空比D_1、D_2、D_3，可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓平均值的精確控制。在采用SPWM調(diào)制時(shí)，調(diào)制比m（調(diào)制信號幅值與載波信號幅值之比）與占空比之間存在一定的關(guān)系，通過改變調(diào)制比m，可以改變輸出電壓的大小。當(dāng)調(diào)制比m增大時(shí)，輸出電壓的幅值也隨之增大；當(dāng)調(diào)制比m減小時(shí)，輸出電壓的幅值相應(yīng)減小。利用MATLAB/Simulink軟件搭建三電平變換器的仿真模型，對其輸出特性進(jìn)行仿真分析。在仿真模型中，設(shè)置輸入直流母線電壓V_{dc}=1000V，輸出負(fù)載電阻R=10\Omega，電感L=10mH，開關(guān)頻率f_s=10kHz，調(diào)制比m=0.8。通過仿真，可以得到輸出電壓和電流的波形，如圖4所示。從仿真結(jié)果可以看出，三電平變換器的輸出電壓波形接近正弦波，諧波含量較低。通過對輸出電壓進(jìn)行傅里葉分析，可以得到其諧波含量的具體數(shù)值，如圖5所示。從諧波分析結(jié)果可以看出，輸出電壓的總諧波失真（THD）較小，滿足相關(guān)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。[此處插入三電平變換器輸出電壓和電流波形仿真圖][此處插入三電平變換器輸出電壓諧波含量分析圖]在實(shí)際應(yīng)用中，三電平變換器的輸出特性還會受到負(fù)載變化、溫度變化、器件參數(shù)漂移等因素的影響。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電流也會相應(yīng)改變，這可能會導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng)。為了減小負(fù)載變化對輸出特性的影響，可以采用閉環(huán)控制策略，如電壓閉環(huán)控制、電流閉環(huán)控制等。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電壓和電流，根據(jù)反饋信號調(diào)整功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。溫度變化和器件參數(shù)漂移也會影響三電平變換器的性能，可能導(dǎo)致功率開關(guān)管的導(dǎo)通電阻增大、開關(guān)速度變慢等問題，從而影響輸出特性。在設(shè)計(jì)和應(yīng)用三電平變換器時(shí)，需要充分考慮這些因素，并采取相應(yīng)的措施，如優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)、選擇參數(shù)穩(wěn)定性好的器件等，以確保變換器在各種工作條件下都能穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。四、多電平變換器的控制策略4.1載波PWM控制策略4.1.1分諧波PWM分諧波PWM（Sub-HarmonicPWM）控制策略是載波PWM控制策略中的一種，其核心思想是通過巧妙設(shè)置載波和調(diào)制波，實(shí)現(xiàn)對多電平變換器輸出波形的有效控制。在分諧波PWM中，載波的設(shè)置具有獨(dú)特的方式。通常會使用多個(gè)載波信號，這些載波信號的頻率與調(diào)制波頻率之間存在特定的諧波關(guān)系。例如，在一個(gè)三電平變換器中，可能會使用兩個(gè)載波信號，一個(gè)載波信號的頻率是調(diào)制波頻率的整數(shù)倍，另一個(gè)載波信號的頻率則是該整數(shù)倍頻率的諧波。通過這種方式，將不同頻率的載波與調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生不同的脈沖序列。調(diào)制波的合成方式也較為特殊，它是由多個(gè)不同頻率的正弦波或其他波形按照一定的比例和相位關(guān)系疊加而成。這些不同頻率的波形相互作用，使得調(diào)制波包含了豐富的頻率成分。在與載波進(jìn)行比較時(shí)，根據(jù)不同的比較結(jié)果，產(chǎn)生一系列寬度和間隔各異的脈沖。這些脈沖經(jīng)過功率開關(guān)管的控制，最終在多電平變換器的輸出端合成多電平的電壓波形。從諧波特性來看，分諧波PWM具有一定的優(yōu)勢。由于其獨(dú)特的載波和調(diào)制波設(shè)置，能夠有效地減少輸出電壓中的低次諧波含量。通過合理選擇載波頻率與調(diào)制波頻率的比例關(guān)系，以及調(diào)制波中各頻率成分的比例和相位，可以使特定的低次諧波相互抵消。在某些應(yīng)用中，通過精確設(shè)計(jì)分諧波PWM的參數(shù)，能夠?qū)?次、7次等低次諧波的含量降低到很低的水平，從而提高輸出電壓的質(zhì)量。然而，分諧波PWM也并非完美無缺，它可能會在高頻段引入一些新的諧波成分。這是因?yàn)樵诤铣烧{(diào)制波和與載波比較的過程中，復(fù)雜的頻率成分相互作用，導(dǎo)致在高頻段產(chǎn)生了一些額外的諧波。不過，通過適當(dāng)?shù)臑V波器設(shè)計(jì)，可以對這些高頻諧波進(jìn)行有效的抑制，從而滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。4.1.2開關(guān)頻率優(yōu)化PWM開關(guān)頻率優(yōu)化PWM（OptimizedSwitchingFrequencyPWM）控制策略旨在通過對開關(guān)頻率的調(diào)整，提高多電平變換器的效率和性能。在多電平變換器中，開關(guān)頻率的選擇對變換器的性能有著至關(guān)重要的影響。如果開關(guān)頻率過低，輸出電壓的諧波含量會增加，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。因?yàn)檩^低的開關(guān)頻率意味著在一個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓的電平切換次數(shù)較少，使得輸出電壓波形與理想的正弦波相差較大，從而產(chǎn)生更多的諧波。而如果開關(guān)頻率過高，雖然可以降低輸出電壓的諧波含量，提高電能質(zhì)量，但同時(shí)會增加開關(guān)損耗。開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，過高的開關(guān)頻率會使功率開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中產(chǎn)生更多的能量損耗，導(dǎo)致變換器的效率降低。開關(guān)頻率優(yōu)化PWM通過動(dòng)態(tài)調(diào)整開關(guān)頻率，來平衡諧波含量和開關(guān)損耗之間的關(guān)系。在輕載情況下，由于負(fù)載電流較小，對輸出電壓的諧波要求相對較低，此時(shí)可以適當(dāng)降低開關(guān)頻率。降低開關(guān)頻率可以減少功率開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)，從而降低開關(guān)損耗，提高變換器的效率。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載電流和電壓等參數(shù)，當(dāng)檢測到負(fù)載較輕時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)降低開關(guān)頻率，使變換器在低開關(guān)頻率下運(yùn)行，減少能量損耗。在重載情況下，由于負(fù)載電流較大，對輸出電壓的諧波要求較高，此時(shí)則適當(dāng)提高開關(guān)頻率。提高開關(guān)頻率可以增加輸出電壓的電平切換次數(shù)，使輸出電壓波形更接近理想的正弦波，降低諧波含量，滿足負(fù)載對電能質(zhì)量的要求。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整，通常需要采用一些智能控制算法。模糊控制算法就是一種常用的方法。模糊控制算法通過對多個(gè)輸入變量（如負(fù)載電流、輸出電壓、變換器溫度等）進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模糊規(guī)則進(jìn)行推理，得出合適的開關(guān)頻率調(diào)整量。將負(fù)載電流劃分為輕載、中載、重載等模糊子集，將輸出電壓的諧波含量劃分為高、中、低等模糊子集，然后根據(jù)不同的模糊子集組合，制定相應(yīng)的開關(guān)頻率調(diào)整策略。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法也可以用于開關(guān)頻率的優(yōu)化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠通過對大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，建立輸入變量（如負(fù)載情況、電網(wǎng)參數(shù)等）與最優(yōu)開關(guān)頻率之間的映射關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的輸入變量，快速計(jì)算出最優(yōu)的開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)頻率的智能調(diào)整。4.1.3三角載波移相PWM三角載波移相PWM（Phase-ShiftedTriangularCarrierPWM）控制策略是載波PWM控制策略中的一種重要方法，它通過對三角載波進(jìn)行移相操作，來改善多電平變換器的輸出電壓波形。在三角載波移相PWM中，通常會使用多個(gè)三角載波信號。這些三角載波信號的頻率相同，但相位存在一定的差異。在一個(gè)由多個(gè)H橋模塊級聯(lián)而成的多電平變換器中，每個(gè)H橋模塊都對應(yīng)一個(gè)三角載波信號，相鄰三角載波信號之間的相位差為180^{\circ}/N（N為H橋模塊的數(shù)量）。載波的移相方式對輸出電壓波形有著顯著的影響。當(dāng)多個(gè)三角載波與同一個(gè)調(diào)制波進(jìn)行比較時(shí)，由于載波之間的相位差，會產(chǎn)生不同的脈沖序列。這些脈沖序列經(jīng)過功率開關(guān)管的控制，在多電平變換器的輸出端疊加，從而合成多電平的輸出電壓波形。由于載波的移相，使得在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓的電平切換更加頻繁，輸出電壓波形更加接近理想的正弦波。與傳統(tǒng)的PWM控制策略相比，三角載波移相PWM可以有效降低輸出電壓的諧波含量。通過傅里葉分析可以發(fā)現(xiàn)，采用三角載波移相PWM時(shí)，輸出電壓中的諧波主要集中在較高的頻率段，低次諧波含量大幅減少。這是因?yàn)檩d波的移相使得不同脈沖序列之間的諧波相互抵消，從而降低了整體的諧波含量。而且，三角載波移相PWM還可以提高變換器的等效開關(guān)頻率。雖然每個(gè)三角載波的頻率不變，但由于多個(gè)載波的移相作用，使得在輸出端合成的電壓波形的開關(guān)頻率相當(dāng)于單個(gè)載波頻率的N倍（N為載波數(shù)量）。更高的等效開關(guān)頻率意味著輸出電壓的變化更加平滑，能夠更好地滿足對電能質(zhì)量要求較高的負(fù)載的需求。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，采用三角載波移相PWM可以使電機(jī)的運(yùn)行更加平穩(wěn)，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)的效率和可靠性。4.2空間矢量PWM控制策略4.2.1空間矢量的概念與合成空間矢量PWM（SVPWM）是一種先進(jìn)的PWM控制策略，在多電平變換器的控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在三相交流系統(tǒng)中，空間矢量可以看作是一個(gè)在復(fù)平面上隨時(shí)間變化的矢量，它能夠表示多相交流系統(tǒng)的狀態(tài)。以三相電壓源逆變器為例，通過控制逆變器中功率開關(guān)管的不同導(dǎo)通組合，可以得到不同的三相電壓矢量。這些電壓矢量在空間中具有不同的方向和大小，通過合理地選擇和切換這些矢量，可以在負(fù)載上產(chǎn)生期望的電壓波形?？臻g矢量的合成基于矢量相加的原理。假設(shè)三相電壓源逆變器的輸出電壓分別為u_a、u_b、u_c，則可以將其表示為空間矢量\vec{V}：\vec{V}=\frac{2}{3}(u_a+u_be^{j\frac{2\pi}{3}}+u_ce^{j\frac{4\pi}{3}})在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過選擇不同的基本電壓矢量，并控制它們的作用時(shí)間，可以合成一個(gè)接近參考矢量的空間矢量。參考矢量通常是根據(jù)負(fù)載的需求和系統(tǒng)的控制目標(biāo)確定的，它代表了期望的輸出電壓狀態(tài)。在兩電平逆變器中，有六個(gè)非零基本電壓矢量和兩個(gè)零矢量。非零基本電壓矢量分別對應(yīng)逆變器不同的開關(guān)狀態(tài)，它們在空間中均勻分布，夾角為60^{\circ}；零矢量則對應(yīng)逆變器的全關(guān)斷狀態(tài)或全導(dǎo)通狀態(tài)。通過在不同的基本電壓矢量之間切換，可以產(chǎn)生一個(gè)圓滑變化的空間矢量，從而控制電機(jī)的運(yùn)行。與傳統(tǒng)PWM相比，空間矢量PWM具有明顯的區(qū)別。傳統(tǒng)PWM通常采用正弦波作為調(diào)制信號，與三角波載波進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果生成PWM信號。這種方式主要關(guān)注的是電壓的瞬時(shí)值，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來控制輸出電壓的大小。而空間矢量PWM則是基于空間矢量的概念，將逆變器的輸出狀態(tài)看作是空間中的矢量，通過選擇合適的矢量組合來生成PWM信號。它不僅考慮了電壓的大小，還考慮了電壓的相位和空間分布，能夠更有效地利用直流母線電壓，生成更接近正弦波形的三相輸出電壓。在相同的直流母線電壓下，空間矢量PWM的電壓利用率更高，可以輸出更高的電壓幅值。傳統(tǒng)PWM的電壓利用率一般為0.866，而空間矢量PWM的電壓利用率可以達(dá)到1。這使得在需要高電壓輸出的應(yīng)用中，空間矢量PWM具有明顯的優(yōu)勢。此外，空間矢量PWM還能夠更好地控制電流波形，減少高次諧波，改善電機(jī)的運(yùn)行性能和噪音。由于其對電壓矢量的精確控制，能夠使電流波形更加接近正弦波，降低諧波含量，從而減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和發(fā)熱，提高電機(jī)的效率和可靠性。4.2.2三電平及多電平空間矢量PWM算法三電平空間矢量PWM算法的實(shí)現(xiàn)步驟較為復(fù)雜，需要精確的計(jì)算和控制。以三電平二極管中點(diǎn)箝位型逆變器為例，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：參考矢量定位：首先，需要在每個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)算參考矢量的幅值和角度。參考矢量的幅值和角度是根據(jù)電機(jī)控制所需的電壓和頻率來確定的。一旦獲得這些參數(shù)，就可以將參考矢量投影到以三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)為基礎(chǔ)構(gòu)建的正六邊形中。三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài)，對應(yīng)19個(gè)不同的電壓矢量，其中包括12個(gè)非零矢量和7個(gè)零矢量。這些矢量在空間中形成一個(gè)復(fù)雜的分布，通過精確計(jì)算參考矢量在這個(gè)分布中的位置，為后續(xù)的矢量選擇和時(shí)間分配提供依據(jù)。時(shí)間計(jì)算與分配：定位參考矢量之后，接下來要計(jì)算各個(gè)開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間。為了在特定扇區(qū)內(nèi)生成期望的空間矢量，需要計(jì)算兩個(gè)相鄰非零矢量和零矢量的作用時(shí)間。這涉及到復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算，以及對所選取扇區(qū)的邏輯判斷。在計(jì)算過程中，需要根據(jù)參考矢量的位置和大小，確定相鄰非零矢量的作用時(shí)間比例，以及零矢量的作用時(shí)間。通過合理分配這些時(shí)間，可以使合成的空間矢量盡可能接近參考矢量。開關(guān)狀態(tài)選擇與控制：在計(jì)算出各個(gè)開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間后，SVPWM算法進(jìn)入實(shí)際的開關(guān)控制階段?？刂撇呗允腔跁r(shí)間的順序來切換逆變器的開關(guān)狀態(tài)。在每個(gè)控制周期內(nèi)，必須按照計(jì)算出的時(shí)間順序和長度進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，這通常由微控制器（如DSP或FPGA）來實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)中的脈寬調(diào)制器（PWM）根據(jù)參考矢量和扇區(qū)信息來生成相應(yīng)的PWM信號，這些信號會被用作逆變器開關(guān)器件的門控信號。在實(shí)際的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，這些信號會被放大并驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開關(guān)器件，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制。對于多電平變換器，隨著電平數(shù)的增加，空間矢量PWM算法的復(fù)雜度也會顯著增加。在五電平變換器中，開關(guān)狀態(tài)的數(shù)量大幅增加，空間矢量的分布更加復(fù)雜。不僅需要考慮更多的非零矢量和零矢量的組合，還需要更加精細(xì)地控制矢量的作用時(shí)間和切換順序。在計(jì)算參考矢量的位置和作用時(shí)間時(shí)，需要考慮更多的因素，如不同電平之間的電壓差、電容電壓的平衡等。而且，由于多電平變換器中存在多個(gè)電容，還需要采取相應(yīng)的措施來保證電容電壓的平衡，這也增加了算法的復(fù)雜性。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，通常會采用一些優(yōu)化算法和策略。通過簡化矢量選擇和時(shí)間計(jì)算的過程，減少計(jì)算量，提高算法的實(shí)時(shí)性。利用矢量的對稱性和冗余性，減少不必要的計(jì)算和開關(guān)動(dòng)作，降低系統(tǒng)的損耗。還可以結(jié)合其他控制策略，如電容電壓平衡控制策略，來實(shí)現(xiàn)多電平變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。4.2.3算法優(yōu)勢與應(yīng)用場景空間矢量PWM算法在電壓利用率、諧波抑制等方面具有顯著的優(yōu)勢。在電壓利用率方面，空間矢量PWM能夠更有效地利用直流母線電壓。它通過合理選擇和組合空間矢量，使得輸出電壓的幅值可以接近直流母線電壓的上限值。在三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，較高的電壓利用率可以提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)能夠更高效地運(yùn)行。相比之下，傳統(tǒng)的PWM控制策略在電壓利用率上存在一定的局限性，無法充分發(fā)揮直流母線電壓的潛力。在諧波抑制方面，空間矢量PWM具有出色的表現(xiàn)。由于其采用多脈沖調(diào)制方式，能夠使輸出電壓的諧波分布更加均勻，有效降低了低次諧波的含量。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，低諧波含量可以減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，降低噪音和振動(dòng)。而且，均勻的諧波分布也有利于濾波器的設(shè)計(jì)，降低了濾波器的成本和體積。通過對空間矢量的精確控制，還可以減少高次諧波的產(chǎn)生，進(jìn)一步提高電能質(zhì)量。基于這些優(yōu)勢，空間矢量PWM算法在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，空間矢量PWM算法能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的高效控制，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和動(dòng)力性能。通過精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)汽車在不同的行駛工況下都能保持良好的性能。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，對于需要高精度控制的電機(jī)，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等，空間矢量PWM算法能夠提供穩(wěn)定、精確的控制，滿足工業(yè)生產(chǎn)對高精度和高可靠性的要求。在航空和航海推進(jìn)系統(tǒng)中，空間矢量PWM算法也能夠發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)的高效控制，提高航空和航海設(shè)備的性能和可靠性。4.3其他控制策略4.3.1滯環(huán)控制滯環(huán)控制（HysteresisControl）是一種簡單而有效的控制策略，在多電平變換器中有著獨(dú)特的應(yīng)用。其基本原理基于滯環(huán)比較器的工作機(jī)制。滯環(huán)比較器有兩個(gè)閾值，分別為上限閾值V_{ref}+h和下限閾值V_{ref}-h（其中V_{ref}為參考電壓，h為滯環(huán)寬度）。當(dāng)反饋信號（如輸出電壓或電流）大于上限閾值時(shí)，滯環(huán)比較器輸出一個(gè)控制信號，使功率開關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生改變，從而調(diào)整變換器的輸出；當(dāng)反饋信號小于下限閾值時(shí)，滯環(huán)比較器輸出另一個(gè)控制信號，再次改變功率開關(guān)管的狀態(tài)。通過這種方式，使反饋信號始終保持在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對變換器輸出的控制。在多電平變換器中，滯環(huán)控制可以應(yīng)用于電流控制和電壓控制等方面。在電流控制中，以負(fù)載電流為反饋信號，將其與參考電流進(jìn)行滯環(huán)比較。當(dāng)負(fù)載電流大于參考電流加上滯環(huán)寬度時(shí)，通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使變換器輸出電壓降低，從而減小負(fù)載電流；當(dāng)負(fù)載電流小于參考電流減去滯環(huán)寬度時(shí)，調(diào)整功率開關(guān)管的狀態(tài)，使變換器輸出電壓升高，進(jìn)而增大負(fù)載電流。通過不斷地調(diào)整，使負(fù)載電流始終跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)對電流的精確控制。在電壓控制中，以輸出電壓為反饋信號，與參考電壓進(jìn)行滯環(huán)比較。根據(jù)比較結(jié)果控制功率開關(guān)管，使輸出電壓穩(wěn)定在參考電壓附近。滯環(huán)控制具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。由于其基于滯環(huán)比較器的工作原理，能夠快速檢測到反饋信號與參考信號的偏差，并立即調(diào)整功率開關(guān)管的狀態(tài)，因此在負(fù)載或輸入電壓發(fā)生突變時(shí)，能夠迅速做出響應(yīng)，使變換器的輸出快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。在電機(jī)啟動(dòng)過程中，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩會發(fā)生較大變化，采用滯環(huán)控制的多電平變換器能夠快速調(diào)整輸出電壓和電流，滿足電機(jī)啟動(dòng)的需求，使電機(jī)能夠平穩(wěn)啟動(dòng)。滯環(huán)控制還具有對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感的特點(diǎn)。由于其控制策略主要基于反饋信號與參考信號的比較，而不是依賴于系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，因此在系統(tǒng)參數(shù)（如電感、電容、電阻等）發(fā)生變化時(shí)，仍然能夠保持較好的控制性能。然而，滯環(huán)控制也存在一些缺點(diǎn)。開關(guān)頻率不固定是其主要缺點(diǎn)之一。由于滯環(huán)控制是根據(jù)反饋信號與閾值的比較來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，開關(guān)頻率會隨著反饋信號的波動(dòng)而變化。在負(fù)載變化較大時(shí)，開關(guān)頻率可能會在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，這給濾波器的設(shè)計(jì)帶來了困難。因?yàn)闉V波器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)固定的開關(guān)頻率來確定參數(shù)，開關(guān)頻率的不固定會導(dǎo)致濾波器無法有效地濾除諧波，影響變換器的輸出性能。滯環(huán)控制的精度相對較低。由于反饋信號在滯環(huán)寬度內(nèi)波動(dòng)，