一种改进的级联型多电平变换器拓扑

一种新型的模块化级联型多电平变换器拓扑结构王奎李永东郑泽东（清华大学电机系北京 100084）摘要H桥级联多电平逆变器在高压大容量变频调速领域得到了广泛的应用，其最大的不足之处是必须使用庞大、复杂而昂贵的多绕组移相隔离变压器。

为了省去传统H桥级联多电平变换器中的多绕组移相变压器，本文提出了一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑结构，该拓扑由通用拓扑结构派生而来，全部由基本单元级联而成，不需要大量独立直流电源，省去了多绕组移相隔离变压器，具有模块性强、结构简单、易于扩展等优点。

和现有的主要的多电平拓扑结构相比，随着电平数的增多，使用元件较少，更适合于五电平及以上多电平使用。

本文以五电平拓扑为例进行了研究，分析了其工作原理和悬浮电容电压平衡控制方法，仿真和实验结果验证了其可行性。

关键词多电平变换器无变压器拓扑基本单元级联悬浮电容1．引言在高压大容量变频调速领域，多电平变换器由于在提高电压等级和减小输出谐波上的巨大优势，获得了越来越广泛的应用。

虽然各种新拓扑结构层出不穷，但目前在工业上应用最多的多电平拓扑结构还是二极管箝位式和H桥级联式结构[1-2]。

二极管箝位式三电平结构在中压变频调速领域应用广泛，但受限于器件耐压等级，输出电压不能进一步提高。

若采用更高电平的话，则存在电容电压难以平衡的问题。

虽然采用背靠背结构或者增加外部均压电路能够控制电容电压的平衡[3-5]，但结构复杂，箝位二极管数量也急剧增加。

在高压变频调速领域，H桥级联式结构占有绝对的优势，不仅可以采用大量低电压等级的器件实现高压的输出，而且具有结构模块化强，使用器件最少，可靠性高，输入功率因数高，输出不需使用滤波器等优点。

其不足之处是需要使用移相隔离变压器，而且电平数越多，需要的变压器副边绕组也越多。

而多绕组移相变压器体积大，制造困难，成本也很高。

为解决移相变压器带来的H桥级联变换器的缺点，本文提出了一种新型的无变压器级联多电平变换器拓扑，它秉承了H桥级联结构模块化的优点，通过功率单元级联可以很容易地实现更高电平。

Project No. 3Report for High Power ConversionSystemsProject Title: Cascade multi-level converter and its controlmethodStudent Name:Email Address: @Phone No.Date: 2012.6.15Signature:级联型多电平变换器构成及控制方法初探浙江大学电气工程学院【摘要】本文介绍了级联型多电平变换器的一般构成方法，并对构成原则进行了初步的讨论并提出了新型级联型拓扑结构。

本文又对级联型多电平的控制策略进行了初探。

最后，本文提出一种改进型级联多电平变换器，并对其进行了简要分析。

【关键字】级联多电平控制方法Cascade multi-level converter and its control method( , College of Electrical Engineering , Zhejiang University)Abstract: This article describes the general composition of the cascade multi-level converter, and constitutes the principle of a preliminary discussion. It also proposes a new cascade topology and cascaded multi-level control strategy . Finally, this paper presents an improved cascaded multilevel converter and makes a brief analysis.Key words: cascade, control strategy, multi-level1.多电平变换器多电平变换器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，它无需升降压变压器和均压电路。

专利名称：一种级联多电平逆变器专利类型：发明专利
发明人：张建忠,徐帅,胡省,姜永将申请号：CN201510703309.1
申请日：20151026
公开号：CN105305861A
公开日：
20160203
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种新型级联多电平逆变器，该逆变器拓扑由一种双T型多电平单元拓扑依次串联级联构成。

该双T型多电平逆变器由两个三电平T型桥臂采用背靠背组合而成，两个三电平T型桥臂共用一个直流母线，直流母线由两个电解电容串联构成，减少了独立供电的直流电源数量，节约了体积和成本。

与传统的级联多电平逆变器相比，由新型双T型多电平逆变器串联构成的级联多电平逆变器采用较少的功率器件，可以输出更多的电压电平数，输出电压中谐波含量较低，具有较好的电磁兼容性能、较低的功率开关损耗及较高的可靠性。

该新型级联多电平逆变器拓扑还具有易于模块化和采用软开关技术等优点，较适合于并网系统逆变器应用中。

申请人：东南大学
地址：210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2号
国籍：CN
代理机构：南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：杨陈庆
更多信息请下载全文后查看。

多电平变换器拓扑结构和控制方法研究多电平变换器拓扑结构和控制方法研究摘要：多电平变换器作为一种应用于高压大功率变换场合的新型变换器，其电路拓扑结构和PWM控制方法是当前的一个研究热点。

基于电平箝位方式对多电平变换电路进行了分类，比较了“二极管或电容箝位”和“使用独立直流电源箝位”两类典型多电平电路拓扑结构的优缺点，并将现有的多电平PWM控制方法根据其优缺点进行了比较，指出了其适用范围。

关键词：多电平；脉宽调制；电平箝位；拓扑结构；控制策略1 引言近年来，应用于高压大功率领域的多电平变频器引起了电力电子行业的极大关注。

由于受电力电子器件电压容量的限制，传统的两电平变频器通常采用“高—低—高”方式经变压器降压和升压来获得高压大功率，或采用多个小容量逆变单元经多绕组变压器多重化来实现，这使得系统效率和可靠性下降。

因而，人们希望实现直接的高压逆变技术。

基于电力电子器件直接串联的高压变频器对动静态的均压电路要求较高，并且输出电压高次谐波含量高，需设置输出滤波器。

多电平逆变电路的提出为解决上述问题取得了突破性的进展。

多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。

这种逆变器由于输出电压电平数的增加，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，无需均压电路，可避免大的d v/d t所导致的电机绝缘等问题。

1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的A.Nabae等人对其进行了发展[1]，提出了二极管箝位式逆变电路。

Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电平推广到多电平的结构[2]。

多电平逆变器主要应用在高压大功率电机调速、无功补偿、有源滤波等领域。

本文在电平箝位基础上对多电平逆变电路拓扑结构进行了分类，分析了几种典型多电平电路拓扑的优缺点；对几种多电平电路的PWM控制方法进行了比较分析，讨论了各种方法适用的主电路结构。

第二章级联多电平变频器拓扑分析由于功率器件额定电压和电流的限制，低压小功率变频器的主电路拓扑已不能应用到高压大功率变频器上，各国研究人员一方面在努力提高功率器件的耐压能力和容量，另一方面有在积极的研究不同的变频器拓扑，用低压器件实现高压输出。

目前产品化的高压IGBT的耐压已经达到了3.3KV和4.5KV，而ABB公司研制的集成门极换流晶闸管IGCT综合了GTO和IGBT两者的长处，保留了GTO和IGBT 两者的长处，保留了GTO导通压降小、电压电流等级高的优点，并继承了IGBT开关性能优越的特点，将成为高压大.功率变频装置的主流器件。

在主电路拓扑方面，近年来各种高压变频器不断出现，但到目前为止还没有形成象低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，其主要拓扑有：(1)电流型高压变频器电流型高压变须器技术成熟，可四象限运行，由于存在大的平波电抗器和快速电流调节器，过电流保护也容易。

但由于高压连接时器件的均压问题、输入输出谐波问题，使其应用受到一定的限制。

电流型高压变频器的种类较多，主要有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换向式和GTO-PWM 式等。

(2)三电平电压型变频器在PWM电压型变频器中，当输出电压较高时，为避免器件串联引起的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt，其逆变部分可以采用三电平方式，也称为中点钳位方式(Neutral Point Clamped-NPC)。

三电平可以扩展到多电平，构成多电平电路，其原理与三电平大同小异，而输出电压的台阶数更多、波形更好。

(3)单元串联多电平电压型变频器单元串联多电平变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现高压输出。

该方案有美国罗宾康公司提出，取名完美无谐波变频器。

除以上三大类型的高压大功率变频器的拓扑外，在这些拓扑的基础上，许多改进的拓扑相继提出。

高压变频器正向高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、低du/dt等方向发展。

2009年3月电工技术学报Vol.24 No. 3 第24卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2009 一种混合级联型多电平逆变器拓扑结构饶建业李永东（清华大学电力电子研究所北京 100084）摘要在交流电动机调速领域，大容量多电平变换器的应用越来越广泛，为了改善系统性能，各种各样的多电平拓扑结构被提出。

本文提出了一种新颖的混合级联式多电平拓扑结构，该结构将传统的H桥逆变器（主逆变器）和二极管钳位型三电平逆变器（从逆变器）结合起来，串联为电动机供电，而这其中仅仅只有主逆变器需要电压源。

这种新型的拓扑结构由于增加了从逆变器作为辅助单元用于能量存储，可以提高系统的效率，一定程度上实现电动机的四象限运行。

相比传统的H桥逆变器，该拓扑可以减少输入电压源的数目；当电动机以稳定速度运行时，从逆变器可以为负载提供无功能量。

该拓扑结构在电力机车和大型舰船推进系统等领域有着广泛的应用前景。

关键词：混合级联型多电平逆变器电动机驱动超级电容中图分类号：TM464Investigation of Control Method for a Hybrid CascadedMultilevel InverterRao Jianye Li Yongdong（Tsinghua University Beijing 100084 China）Abstract In recent years, multilevel inverters are becoming more and more popular in the medium-high voltage AC drive system. Various multilevel inverter topologies have been proposed to enhance the performance of motor drive system. This paper presents a hybrid cascaded multilevel inverter scheme, in which the H-bridge inverter (main inverter) and the 3-level diode clamped inverter (conditioning inverter) are connected together to drive the motors, but only the main inverter needs dc voltage source. The conditioning inverter’s capacitors can be used to store and reuse the braking energy of motor loads. Additionally, compared with the traditional H-bridge inverter, this scheme can reduce the dc sources while maintaining the same voltage output. Further more, when the motor is at a steady speed, the conditioning inverter can provide the reactive power to the motor and the capacitor’s voltage can be kept balanced. This scheme has a wide range of practical applications, especially in the electric vehicle motor drive and marine propulsion system.Keywords：Hybrid cascaded multilevel, inverter, motor drives, super capacitors1引言目前，大容量变频器在工业领域取得了广泛应用。

多电平变换器的概念自从A.Nabael在1980年的IAS年会上提出以后，以其独特的优点受到广泛的关注和研究。

首先，对于n电平的变换器，每个功率器件承受的电压仅为母线电压的1/（n－1），这就使得能够用低压器件来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路；多电平变换器的输出电压波形由于电平数目多，使波形畸变(THD)大大缩小，改善了装置的EMI特性；还使功率管关断时的dv/dt应力减少，这在高压大电机驱动中，有效地防止了电机转子绕组绝缘击穿；最后，多电平变换器输出无需变压器，从而大大减小了系统的体积和损耗。

因此，多电平变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。

1 多电平变换器的拓扑结构国内外学者对多电平变换器作了很多的研究，提出了不少拓扑结构。

从目前的资料上看，多电平变换器的拓扑结构主要有4种：1）二极管中点箝位型（见图1）；2）飞跨电容型(见图2)；3）具有独立直流电源级联型（见图3）；4）混合的级联型多电平变换器。

图1 二极管箝位型三电平变换器图2 飞跨电容型三电平变换器图3 级联型五电平变换器其中混合级联型是3）的改进模型，它和3）的结构基本上相同，唯一不同的就是3）的直流电源电压均相等，而4）则不等。

从图1至图3不难看出这几种拓扑的结构的优缺点。

二极管箝位型多电平变换器的优点是便于双向功率流控制，功率因数控制方便。

缺点是电容均压较为复杂和困难。

在国内外这种拓扑结构的产品已经进入了实用化。

飞跨电容型多电平变换器，由于采用了电容取代箝位二极管，因此，它可以省掉大量的箝位二极管，但是引入了不少电容，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。

另外这种拓扑结构，输出相同质量波形的时候，开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。

目前，这种拓扑结构还没有达到实用化的地步。

级联型多电平变换器的优点主要是同数量电平的时候，使用二极管数目少于拓扑结构1）；由于采用的是独立的直流电源，不会有电压不平衡的问题。

mmc拓扑特点-回复MMC（Modular Multilevel Converter）是一种新型的多电平变流器拓扑结构，具有许多独特的特点和优势。

在本文中，我们将逐步回答MMC 拓扑特点相关的问题，以帮助读者深入了解MMC的特性和应用。

第一部分：MMC拓扑结构的基本原理和组成MMC的基本原理是利用多个单元级联，通过各级单元的调制和控制实现电力的转换和控制。

MMC由多个H桥单元组成，每个单元都有一个正对称和一个负对称的半桥，通过串联连接形成多个级联的单元。

1. 什么是MMC拓扑结构？MMC是一种多电平变流器拓扑结构，由多个单元级联组成，能够实现高电压和高功率的变换和控制。

2. MMC的基本组成是什么？MMC由多个H桥单元组成，每个单元由两个逆并联的IGBT器件和二极管组成。

每个单元还包括一个电容和一个电感。

第二部分：MMC拓扑结构的特点和优势MMC拓扑结构具有许多特点和优势，下面我们将逐一介绍。

3. MMC拓扑结构具有什么样的电压水平？MMC拓扑结构可以实现多个电平的输出电压，从而减小谐波成分，提高输出电压质量，并且可以提供可调节的输出电压。

4. MMC拓扑结构的功率损耗小吗？由于MMC采用模块化结构，每个单元的功率损耗都比较小，整个系统的总功率损耗相对较低。

5. MMC拓扑结构的可靠性如何？MMC由多个单元级联组成，每个单元都可以独立控制，所以即使其中一个单元出现故障，整个系统仍然可以正常工作，具有较高的可靠性。

6. MMC拓扑结构的响应速度怎样？MMC的每个单元都有独立的控制系统，可以实现快速响应，并且由于模块化结构，可以同时进行多个操作。

7. MMC拓扑结构的容量扩展性如何？由于MMC是模块化的结构，可以根据需要添加或移除单元，从而实现容量的扩展或收缩。

第三部分：MMC拓扑结构的应用领域MMC拓扑结构由于具有多种特点和优势，在许多领域得到了广泛应用。

8. MMC在电力系统中的应用有哪些？MMC可以用于高压直流输电（HVDC）系统、柔流输电（FACTS）系统以及电能质量调节等方面，能够提高电力系统的稳定性和可靠性。

２０３／２００９收稿日期：２００９－０３－３０作者简介：侯李祥　（１９８６－），男，　硕士研究生，研究方向为电力电子技术及其在风力发电中的应用； 吕跃刚（１９５８－），男，　教授，硕士生导师，　研究方向为风力发电控制技术。

新型级联多电平逆变器侯李祥，　吕跃刚（华北电力大学控制科学与工程学院，北京１０２２０６）摘　要：在传统多电平逆变器拓扑结构的基础上，提出了一种新型电路拓扑。

新型电路拓扑是统一化拓扑经过简化后与传统级联Ｈ桥式电路拓扑结合得到的。

新型电路拓扑相对于传统电路拓扑在器件数、直流电压源数上都具有一定的优势。

详细分析了该电路拓扑的工作原理并且给出了相应的控制策略，最后通过仿真实验验证了这种拓扑的可行性。

关键词：逆变器；多电平；拓扑结构；级联；电力电子中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－８４１０（２００９）０３－００２０－０４New Cascaded Multilevel InverterＨＯＵ　Ｌｉ－ｘｉａｎｇ， ＬＶ　Ｙｕｅ－ｇａｎｇ(School of Control Science and Engineering, North China Electrical Power University, Beijing 102206, China)Abstract: A new multilevel inverter topology is put forward base on the traditional multilevel inverter topology. It is simplified from the generalized multilevel inverter topology and combines with the cascaded H bridge. Comparing with traditional topology on the number of devices and DC voltage source, the new one has certain advantages. The working principles of this topology and control methods are described in detail. At last, the simulation test result is provided, which proves the feasibility of this topology.Key words: converters; multilevel; topology; cascaded; power electronics０引言随着中、高压大容量变频调速器和电力有源滤波器的大量应用，多电平逆变器已经成为当前电力电子技术中倍受人们关注的研究热点。