多电平技术讲解

目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (54)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (56)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (56)5.3.2仿真结果与分析 (56)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (57)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (58)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。

在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。

多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史，然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。

关键词多电平；逆变器；钳位；级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器，他在两电平半桥式逆变器电路的基础上，加人了开关管辅助钳位电路，得到了三电平电压输出。

但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式，故只能得到三电平输出，即使增多开关管也不能得到多电平输出，所以只能算是一种多电平逆变器的雏形，还算不上是真正的多电平逆变器。

1980年，日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展，在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。

这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。

由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要，又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。

随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。

1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。

1992年，法国学者T. A. Meynard和H. Foch，提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。

2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后，在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上，提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。

这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。

此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。

模块化多电平原理模块化多电平(Multi-level Modular Converter, MMC)是一种新型的直流-交流转换器，其特点是具有高电压和高功率的转换能力，能够满足不同电力需求的要求。

MMC采用模块化设计，能够对电压和功率进行灵活配置，具有高效、高可靠性和高灵活性等优点。

下面将详细介绍MMC的原理。

MMC的原理是在每个电平的电流流向相反的两个半桥电路之间插入一个电容，同时在各半桥之间增加能控晶闸管(IGBT)器件，实现多电平的输出。

MMCs的主要特点有以下几个方面：1. 多电平输出：MMC将一个交流输电系统的电压等级从传统的两级(220V和500kV)增加到五级以上，能够提供高至几千千伏的电压等级，从而能够满足不同规模的输电需求。

2. 模块化设计：MMC采用模块化设计，每个电容和每个IGBT模块都是相互独立的，可以根据实际需要的功率水平进行自由组合。

这种设计方式使得MMC 具有高度的可配置性和可扩展性，便于安装和维护。

3. 电压平衡：由于每个电容都与一个IGBT串联连接，可以通过控制IGBT的开关实现对电容的充放电，从而使得各电容的电压保持平衡。

这种电压平衡设计能够降低电容的电压应力，提高系统的可靠性和寿命。

4. 网络逆变：MMC电路通过将每个半桥电路的输出以不同的频率进行切换，实现对输入直流电压的逆变。

逆变电路采用PWM调制技术，能够输出高质量的正弦波电压和电流，达到有效控制电压和电流的目的。

5. 滤波和调节：MMC通过电容和电感的组合来实现对电压、电流的滤波和调节。

通过在MMC的输出端增加滤波电路，可以减少谐波和电磁干扰，提高能量传输的质量和稳定性。

6. 高功率密度：MMC设计紧凑，体积小，功率密度高。

通过模块化设计和高效的控制策略，能够实现对高功率的快速响应和高效转换，提高系统的能量利用率。

MMC的工作原理主要包括以下几个关键步骤：1. 输入直流电压检测：MMC的输入电压通常为直流电压，首先需要对输入电压进行检测和采样。

多电平逆变电路的三种控制方法多电平变换器PWM控制方法可分为两大类：三角载波PWM技术和直接数字技术（空间电压矢量法SVPWM），它们都是2电平P WM在多电平中的扩展。

1. 三角载波PWM方法①消谐波PWM（SHPWM）法消谐波PWM法的原理是电路的每一相使用一个正弦调制波和几个三角波进行比较，在正弦波与三角波相交的时刻，如果正弦波的幅值大于某个三角波的值，则开通相应的开关器件，否则，则关断该器件。

为了使M－1个三角载波所占的区域是连续的，它们在空间上是紧密相连且对称地分布在零参考量的正负两侧。

消谐波PWM是2电平三角载波PWM在多电平中的扩展。

②开关频率最优PWM（SFOPWM）法开关频率最优法是由2电平三角载波PWM扩展而来。

它的载波要求与SHPWM法相同，不同的是它在正弦调制波中注入了零序分量。

对于一个三相系统，这个零序分量是三相正弦波瞬态最大值和最小值的平均值，所以SFOPWM的调制波是三相正弦波减去零序分量后所得到的波形。

这种方法通过在调制波中注入零序分量而使得电压调制比达到1.15。

但是该方法只能用于三相系统。

因为在单相系统中注入的零序分量无法互相抵消，从而在输出波形中存在三次谐波，而在三相系统中就不会有这种问题。

实际上，这种零序分量注入的方法在本质上与电压空间矢量法是一致的，它相当于零矢量在半开关周期始末两端均匀分布的空间电压矢量法。

所以，SFOPWM法可以看成是2电平空间电压矢量法在多电平变换器控制中的推广。

③三角波移相PWM（PSPWM）法三角载波移相PWM法是一种专门用于级联型多电平变换器的P WM方法。

这种控制方法与SHPWM方法不同，每个模块的SPWM 信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生，所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移，这一个相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得各模块最终叠加输出的SPWM波的等效开关率提高到原来的Keff倍，在不提高开关频率的条件下大大减小了输出谐波。

多电平逆变器技术及其原理综述多电平逆变第5期蔡兴：多电平逆变器技术及其原理综述181要M-1个电容。

每相桥臂的结构必须相同，两层电容之间电压增加的大小决定输出波形中每阶电压电平高度。

比较分析，可以得到电容钳位式多电平逆变器优缺点如下。

优点：(1)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(2)逆变器电平数易扩展,电压合成方面，开关状态选择具有较大的灵活性；(3)由于电容的引进，可通过在同一个电平上不同开关组合，使直流侧电容电压保持平衡。

缺点：(1)随着电平数的增加，需要大量的钳位电容，增加了系统的成本；(2)用于纯无功负载时，可能存在飞跨电容电压不平衡；(3)对有功功率变换，高频时逆变器的控制非常复杂，同时有很高的开关损耗。

1.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点二极管钳位式和电容钳位式多电平拓扑的提出，为利用低耐压型开关器件获得多电平高压输出提供了新思路，但同时也带来直流电容分压不平衡等一系列问题，控制也十分复杂。

为此可采用多个独立的直流电容分压，输出多个电平的方式，即有独立直流电源的级联式逆变器。

基于传统的二电平低压小容量桥式逆变器的级联多电平逆变器，采用串联若干个低压功率单元的方式来实现高电压输出，这种电路的结构和方法比较容易实现向更多电平数的扩展，产生更高电压的输出。

例如级联式五电平逆变器拓扑单臂电路，是由两个两电平H桥单元级联而成。

与二极管钳位式和飞跨电容式多电平逆变器相比较，级联式多电平逆变器拓扑不需要大量钳位二极管和飞跨电容，但是需要多个独立的直流电压源。

对于一个M电平的级联型逆变器，每一个桥臂需要(M-1)/2个独立直流电压源和2(M-1)个主开关器件。

这种拓扑可以方便地通过星形或三角形联接构成三相系统。

比较分析，可以得到级联式多电平逆变器优缺点如下。

优点：(1)无需大量钳位二极管和钳位电容，在三种多电平变换拓扑中，对于相同的电平数，所需器件最少，易于封装；(2)电平数越多，输出电压谐波的含量越少；(3)基于低压小容量逆变器器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于七或九电平及更高的电平应用场合。

多电平换流器在风力发电系统中的应用研究随着环境保护的呼声日益高涨，越来越多的人开始重视可再生能源的利用。

风力发电作为可再生能源中的一种，具有产能高、能源稳定等优点，越来越受到人们的关注。

而多电平换流器作为风力发电系统中的关键部件之一，也逐渐走进人们的视野。

本文将从多电平换流器的基本原理、应用场景以及相关技术发展等方面，对多电平换流器在风力发电系统中的应用进行探讨。

一、多电平换流器基本原理多电平换流器是一种能够将交流电转化为直流电的装置。

它由多个单元组成，每个单元中都包含了若干个电容和一组开关器件。

这些开关器件可以通过快速开启或关闭来控制电路中的电压、电流等参数。

通过将电流进行开关控制，多电平换流器可以达到电流变换和功率输出的控制效果。

二、多电平换流器在风力发电系统中的应用多电平换流器在风力发电系统中的应用主要包括两个方面：一是控制风机的输出功率；二是接入电网。

控制风机的输出功率在风力发电系统中，风机的输出功率需要通过控制转子的旋转速度来实现。

而多电平换流器则可以通过控制电路的电压、电流等参数，来控制转子的旋转速度，从而实现对风机输出功率的控制。

同时，多电平换流器还可以对风机的电压、电流等参数进行监测，以保证风机的安全运行，提高其产能和可靠性。

接入电网风力发电系统需要将风机所产生的电能输出到电网中，以实现对电力的有效利用。

而多电平换流器则可以通过将风机产生的交流电转化为直流电，并进行电压和频率调节，以适应电网的需要。

同时，多电平换流器还可以对电网的电压、电流等参数进行监测，以保证电网的稳定运行。

三、多电平换流器技术发展随着电力系统的逐步发展，多电平换流器的技术也在不断地发展和完善。

目前，多电平换流器技术主要有以下几个方向：1. 多电平换流器软开关技术多电平换流器软开关技术是一种新型的开关技术。

与传统的硬开关技术相比，软开关技术可以有效地降低换流器的开关损失、提高其效率和可靠性。

同时，软开关还可以控制开关时间，以最大限度地减少开关过程中的电压和电流的冲击，从而提高多电平换流器的寿命。

目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。

在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。

多电平逆变器的核心电路结构及其工作原理引言多电平逆变器是一种重要的功率电子设备，广泛应用于各种电力电子系统和新能源领域。

本文将介绍多电平逆变器的核心电路结构以及其工作原理。

核心电路结构多电平逆变器的核心电路结构由多个单元级并联连接而成。

每个单元级都由一个半桥变换电路组成，其中包括两个开关器件（一般为MOSFET或IGBT）和一个逆变电路，用于将直流电源转换成多种电平的交流输出。

在核心电路结构中，每个单元级的开关器件交替导通，以实现逆变过程中输出电压的多电平控制。

为了有效控制开关器件并保护其工作状态，通常还会添加电流互补的二极管并联于开关器件上。

此外，逆变电路通常由电感、电容和滤波器等元件组成，以实现对输出电压和电流的滤波和平滑。

工作原理多电平逆变器的工作原理基于 PWM（脉宽调制）技术，通过调节开关器件的导通时间和截止时间来控制输出电压的多种电平。

其具体步骤如下：1. 输入直流电源经过逆变电路，得到一个不稳定的三相交流电压。

2. 通过单元级的半桥变换电路，将不稳定的三相交流电压转换为稳定的多种电平的交流输出。

每个单元级的开关器件交替导通，通过调节导通时间和截止时间，可以获得不同电平的输出电压。

3. 经过电感、电容和滤波器等元件的处理，输出电压平滑过滤，并且去除杂散干扰，得到高质量的输出交流电压。

4. 控制系统不断采样检测输出电压和电流状态，并根据需要调节各个单元级的开关器件导通时间和截止时间，以动态调整输出电压。

多电平逆变器的工作原理可以灵活地控制输出电压的谐波含量和波形结构，从而满足不同应用领域对电力质量的要求。

同时，由于单元级的并联连接，故障发生时只需维修故障单元级，对整个逆变器的影响较小。

结论多电平逆变器是一种重要的功率电子设备，其核心电路结构由多个单元级并联连接而成。

通过 PWM 技术控制开关器件的导通时间和截止时间，可以实现多种电平的输出电压。

多电平逆变器的工作原理灵活，能够满足不同应用领域的需求，并且故障发生时维修代价相对较低。

sigma-delta 和多电平DAG技术作者: 日期:采用习3和多电平DAC 技术提高音频DAC 信号输出质量采用》3转换技术的音频数字/模拟转换器（DAC ）产品投放市场已有一段时间了，设计人员一 直都在尝试着在不增加产品成本的基础上有效地提咼产品的声音质量。

本文介绍的吝3调制 和多电平DAC 技术能够有效地提高音频DAC 的声音质量。

在音频DAC 中采用2- 3技术很常见，而 Wolfson 微电子公司采用二元加权 DAC 单元阵列 对该技术作了重大改进， 在不增加成本的情况下可以显著提高音乐质量， 这些单元的数量正比于DAC 的比特数。

音频DAC 一般由四个处理部分组成。

首先所输入的音频数据需要经过内插滤波器滤除带外 噪声，然后利用 2- 3调制器对滤除后的数据进行处理，生成的数据比特流由 D/A 单元转换成模拟信号。

最后这些模拟信号通过一个模拟滤波器重现最初的音乐信号（见图1）。

设计一个16比特到24比特的非 2 3 DAC 具有一定困难, 其优点是带外噪声特别低。

但是，如果该转换器处理音频 信号时其工作速率较低（接近于信号的奈奎斯特采样率 ）,如44.1kHz 和48kHz ，则其输出频谱将包含很强的镜像分量。

通过采用内插滤波器来提高 采样率，可以消除这种镜像分量。

最初基于3- 2调制器的音频 DAC 主要是单比特的设计。

由于只需要实现两种电平，任何再 生电平中的误差都会表现为增益与偏差误差，而不会影响整个系统的线性度和噪声性能。

在使用单比特D/A 情况下，滤波器必须能够将这个脉冲串转换成实际的模拟波形，该功能 并不容易实现。

另外，单比特D/A 对时钟抖动比较敏感（见图2），过采样时钟转换中的抖动会直接导致数模转换误差，从而增加了系统噪声，降低 音频D/A 输出的声音质量。

多电平DAC 与3-2调制器结合最近，将多电平DAC 与3-2调制器结合使用的例子越来 越普遍，这种多电平 D/A 具有适当数量的输出电平，能 改进带外噪声与信号质量。

PWM变流器简介电力电子技术的应用包括四大类基本变流电路，即AC-DC（整流）、DC-DC （升降压斩波）、AC-AC（变频变相）、DC-AC（逆变）变流电路。

由此产生的整流器，逆变器，变流器（双向整流逆变）等装置在工业生活中的应用日益广泛，无论是在UPS,新能源发电（光伏、风电），电能质量治理（无功、谐波），还是电动汽车等领域，对系统效率的期望比以往更高。

在市电等级应用领域中，通常采用的是两电平变流器拓扑结构，而多电平变流器拓扑的提出，就是为了实现中高压应用的目标。

本文将对常见的两电平、三电平变流器拓扑原理进行分析介绍。

1.一种典型的两电平-三相电压型桥式PWM变流器电路拓扑如下图所示：图1三相电压型桥式PWM变流器电路直流侧通常只有一个电容器就可以，为了方便分析，画作串联的两个电容器并标出理想中点N。

其基本工作方式为180度导电，即每个桥臂导电角度为180度，同一相（即同一桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120度。

在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也称为纵向换流。

下面来分析该电路的工作波形，对于U相输出来说，当V1导通时，Uun=Ud/2；V4导通时，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值为Ud/2的矩形波。

V,W两相情况类似，只是相位依次相差120度。

通常我们所说的几电平指的是逆变器输出的相电压，对两电平而言，逆变器输出的相电压只有上述分析的两种电平：±Ud/2。

负载线电压可分别由公式求出：Uuv=Uun-Uvn；Uvw=Uvn-Uwn；Uwu=Uwn-Uun可以看出负载线电压有三个值：±Ud，0.对该电路的工作原理再作如下说明：在整流运行状态下，Ua>0时，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls组成升压斩波电路。

V4导通时，Ua通过V4，VD6(或VD2)向Ls储能，当V4关断时，Ls储存的能量通过VD1向直流侧电容充电。

多电平变流器的主电路结构及其工作原理1. 引言多电平变流器是一种用于电力转换和调节的重要电力电子设备。

它能够将输入交流电源转换为多种不同电平的输出电压，广泛应用于直流输电、工业电机驱动和电力系统稳定控制等领域。

本文将介绍多电平变流器的主要电路结构以及其工作原理。

2. 主电路结构多电平变流器的主电路通常由以下几部分组成：2.1 整流器多电平变流器的输入是交流电源，而输出是直流电压。

在多电平变流器的主电路中，通常会采用整流器来将输入的交流电源转换为输出的直流电压。

整流器的类型可以有多种选择，如单相或三相整流桥、混合整流器等。

2.2 电容滤波器为了使输出电压更加稳定，多电平变流器主电路中还会添加一个电容滤波器。

电容滤波器主要用于平滑直流电压的波动，减小输出电压中的脉动成分。

通过合适的电容选择，可以有效降低电压的谐波含量，提高系统的稳定性。

2.3 逆变器在多电平变流器的主电路中，逆变器是起到关键作用的部分。

它能够将直流电压转换为多电平的交流电压，实现多电平变流器的输出功能。

逆变器通常采用硅控整流器或者现代高压功率电子器件（如IGBT、IGCT等）来实现。

2.4 电感滤波器逆变器输出的交流电压通常含有谐波成分，为了减小这些谐波，多电平变流器的主电路中还会添加一个电感滤波器。

电感滤波器通过合理设计的电感参数，能够有效滤除逆变器输出电压中的谐波成分，使得输出电压能够更好地符合电力系统的要求。

3. 工作原理多电平变流器的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：1. 输入电源的交流电压经过整流器转换为直流电压。

2. 直流电压经过电容滤波器进行平滑处理，减小脉动成分。

3. 经过逆变器将直流电压转换为多个电平的交流电压。

4. 输出电压经过电感滤波器进行谐波滤除，使得输出更接近纯正弦波形。

5. 输出的多电平交流电压可以根据实际需求进行调节和控制。

多电平变流器的工作原理涉及到多个电力电子元件的协同作用，通过适当控制和调节这些元件的工作状态，实现对输入电压的转换和输出电压的调节。