【正文】 級聯(lián)多電平變流器串聯(lián)H橋逆變器的直流電源都具有相同的電壓，實際上串聯(lián)H橋逆變器中，不同的功率單元也可由不同的直流電源供電。當采用不同電壓的直流電源供電時，在每相H橋單元數(shù)不變的情況下，逆變器輸出的電平數(shù)目可以增加。這使得當功率單元數(shù)目一定時，輸出電壓的電平數(shù)目進一步提高成為可能[27,28]。這種串聯(lián)H橋逆變器是混合型級聯(lián)多電平變流器的一種型式。從電力電子器件研制技術(shù)的發(fā)展可以看出，全控型器件的開關(guān)頻率與其容量總是矛盾的統(tǒng)一體，器件的開關(guān)頻率和功率等級成反向關(guān)系，往往功率越大的器件，開關(guān)頻率越低，短期內(nèi)還很難有耐壓高且開關(guān)速度快的器件進入實際應用領(lǐng)域，在選擇開關(guān)器件時，人們要根據(jù)器件的開關(guān)頻率的快慢和容量的大小來選擇器件。一般情況下，開關(guān)速度較快的器件(如MOSFET、IGBT)的耐壓值相對較低，而耐壓值較高的器件(如 GTO、IGCT )的開關(guān)速度具有局限性，雖然市場也有高壓IGBT產(chǎn)品，但價格十分昂貴。那么能否在同一多電平電路拓撲結(jié)構(gòu)中采用不同功率等級的開關(guān)器件，使耐壓值較高的器件承受較高的電壓而使它們開關(guān)在較低頻率，而使那些耐壓值并不是很高的器件承受較低的電壓，但工作在較高頻率，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化呢？九十年代末，印度學者 Madhav首次提出了混合多電平[29]的概念，并研究發(fā)現(xiàn)這種技術(shù)將突破傳統(tǒng)實現(xiàn)高壓大功率的技術(shù)的思想的束縛，在同一個電路拓撲結(jié)構(gòu)中，采用不同功率的開關(guān)器件，使 IGBT 和IGCT(或 GTO ) 等開關(guān)器件協(xié)同工作在一起成為可能，并且通過混合調(diào)制方法使器件開關(guān)在不同的開關(guān)頻率下，從而揚長避短充分發(fā)揮各種器件的自身特點?；旌隙嚯娖郊夹g(shù)將功率等級高的器件和開關(guān)頻率快的器件組合使用，從而使電力電子裝置既擁有較高的功率等級又能有很好的輸出特性和較快的調(diào)節(jié)速度。具有獨立直流電源的串聯(lián)H橋多電平逆變器[30]，由于具有諸多優(yōu)點受到廣泛的研究和應用，其每個功率單元的獨立直流電源電壓相同，當采用N個單元級聯(lián)時，輸出電壓的電平數(shù)為。混合多電平的基本思想是在串聯(lián)H橋多電平逆變器基礎上的一種改進，其拓撲中的獨立直流電源將采用不同的直流母線電壓，逆變器輸出電壓通過合成不同電壓等級功率單元的輸出而獲得的。如果獨立直流電源的電壓值分別取 E，2E，4E，…，E，則輸出的最大電平數(shù)將達到 個電平[29]，這是最早被提出的混合多電平拓撲結(jié)構(gòu)。采用相同數(shù)量的開關(guān)器件時，上述混合多電平逆變器所輸出電平數(shù)最多，從而使得其輸出波形具有更好的諧波頻譜。 電容懸浮式多電平變流器電容懸浮式逆變器[31]的拓撲結(jié)構(gòu)來自于兩電平逆變器，它具有和兩電平逆變器相同的特征，如可模塊化結(jié)構(gòu)設計的開關(guān)器件。同時，多電平輸出電壓使得和THD變小了。但電容懸浮式逆變器需要多組直流電容，體積較大，且所有電容都需要單獨的預充電電路。逆變器直流電容電壓通常隨著運行條件的變化而發(fā)生變化，為了避免直流電容電壓偏移帶來的問題，必須嚴格對直流電容上的電壓進行控制，從而使得控制方法非常復雜。由于這些原因，電容懸浮式逆變器在大功率變流系統(tǒng)中應用的較少。 多電平變流器的調(diào)制方式多電平調(diào)制方法在功率變換目標的實現(xiàn)上起著至關(guān)重要的作用，在過去的20多年里，研究者對各種拓撲的中高壓功率變換器的調(diào)制方法，進行了大量的研究工作，提出了一系列有效的調(diào)制方法。這些調(diào)制方法大部分是傳統(tǒng)的兩電平變換器脈寬調(diào)制技術(shù)的擴展和引申。多電平逆變器的調(diào)制方法主要為：①特定諧波消除法（SHEPWM）；②空間矢量法（SVPWM）；③基于載波的PWM控制法（SHPWM）三種。 消除特定諧波法消除特定諧波PWM控制法[32]有如下優(yōu)點：①可以降低開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗；②在相同的開關(guān)頻率下，可以生成最優(yōu)的輸出波形；③可以通過調(diào)制得到較高的基波電壓，提高了直流電壓利用率。采用消除特定諧波法的難點式必須用牛頓迭代法求解非線性方程組，選取合適的初始值是解法收斂的必要條件，這就使運算時間大大加長，不能實現(xiàn)在線計算，因而多采用離線計算，利用查表法取得開關(guān)轉(zhuǎn)換的時刻。這樣在開關(guān)頻率要求較高的應用場合占用較大的內(nèi)存空間。一方面，廉價大容量存儲芯片的發(fā)展為用于離線查表法創(chuàng)造了條件；另一方面，隨著以DSP為代表的高速數(shù)字信號處理芯片的發(fā)展與一些優(yōu)化算法的出現(xiàn)，在線求解非線性方程已不再是難事。多電平特定諧波消除技術(shù)的基本思想是：由于各次諧波的幅值是轉(zhuǎn)換角的函數(shù)，如果想消除N1種諧波，則可以根據(jù)逆變電路首先選擇脈寬調(diào)制波形，然后用相應的諧波幅值表示式求出N1種指定諧波的幅值表示式，并令這些表示式等于零而聯(lián)立求解N1個轉(zhuǎn)換角的值。當波形中各轉(zhuǎn)換角的值等于求出來的值時，則在輸出電壓波形中就消除了指定的N1種諧波，從而得到最優(yōu)的PWM控制。N為級聯(lián)型逆變器每相串聯(lián)的H橋個數(shù)，即轉(zhuǎn)換角的個數(shù)。 多電平空間矢量調(diào)制法矢量調(diào)制技術(shù) [33,38]源于電機的磁場定向控制。電機的磁場定向控制的目的是通過坐標變換，將原來強耦合的三相交流電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩相直流系統(tǒng)，耦合性大大降低，在兩相坐標系下采用直流電機的控制方式進行控制，其控制也變得相對簡單。將這種控制方法移植到三相逆變電源系統(tǒng)的控制中，將三相系統(tǒng)的電壓統(tǒng)一考慮，并在兩相系統(tǒng)進行控制。這種控制方法稱為電壓空間矢量控制，它的特點在于對三相系統(tǒng)的統(tǒng)一表述和控制，以及對幅值和相位同時控制這兩個方面?？臻g電壓矢量法和載波調(diào)制等方法不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使得電機獲得幅值恒定的原型磁通鏈軌跡，即正弦磁通鏈軌跡。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通圓為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于它把逆變器和電機看成一個整體來處理，所得模型簡單，便于微機實時控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，直流電壓利用率高的優(yōu)點，因此目前無論在開環(huán)控制還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛的應用。 基于坐標系的三電平逆變器空間電壓矢量圖由于多電平逆變器電路拓撲的多樣性和特殊性[34,36]，在多電平逆變器PWM控制技術(shù)的應用中，一方面需要考慮多電平逆變器的特殊要求，另外一方面，也為多電平控制技術(shù)提供更多的控制自由度。由于SVPWM控制方法的優(yōu)越性，在過去多年的時間里，多電平SVPWM的研究一直受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，成為研究的熱點。在靜止坐標平面上，三電平逆變器每相橋臂輸出電壓有3個值，因此三相三電平逆變器有27種電壓狀態(tài)組合，對應種不同的逆變器開關(guān)狀態(tài)。這里，一般將幅值為2UD/3的矢量定義為大電壓矢量，如PNN，PPN；幅值為UD/3的矢量定義為中電壓矢量，如PON；幅值為UD/3的矢量定義為小電壓矢量，如POO，ONN；幅值為0的矢量定義為零電壓矢量，如PPP，OOO，NNN。以上四類矢量分別簡稱為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。在靜止坐標平面上，根據(jù)6個大矢量將空間矢量圖分成6個正三角形區(qū)域，以大矢量PNN為起始逆時針每60度依次定義為扇區(qū)Ⅰ、Ⅱ、……、Ⅵ。然后將每個扇區(qū)分為4個或者6個小三角形區(qū)域，根據(jù)參考電壓矢量所在的區(qū)域和小三角形選擇鄰近的三個基本矢量，再用伏秒平衡原理計算各個基本矢量的作用時間。首先，根據(jù)參考矢量在平面的投影判斷參考矢量位于那個大扇區(qū)，并將其轉(zhuǎn)換至扇區(qū)Ⅰ，然后一定的判斷規(guī)則進一步判斷參考矢量位于哪個小三角形：確定了參考矢量所在的扇區(qū)與小三角形區(qū)域后，確定3個鄰近的基本矢量，然后根據(jù)伏秒平衡可得三個基本矢量的作用時間。當給定幅值和角度位置后，參考矢量可由鄰近的三個靜態(tài)矢量合成得到。基于這種方法計算逆變器的開關(guān)狀態(tài)，并產(chǎn)生各功率開關(guān)器件的門極驅(qū)動信號。當參考矢量逐一經(jīng)過每個扇區(qū)時，不同的開關(guān)器件組將會不斷地導通或關(guān)斷。每當參考矢量在矢量空間上旋轉(zhuǎn)一周，逆變器的輸出電壓也會隨之變化一個時間周期[35,37]。逆變器的輸出頻率取決于參考矢量的旋轉(zhuǎn)速度，輸出電壓可通過改變參考矢量的幅值調(diào)節(jié)。 基于載波的PWM調(diào)制技術(shù)多電平變換器載波PWM控制策略，是兩電平載波SPWM技術(shù)在多電平中的直接推廣應用[39,40]。由于多電平變頻器需要多個載波，因此在調(diào)制生成多電平PWM波時有兩類基本方法：①首先將多個幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個調(diào)制波比較，得到多電平PWM波，即載波層疊法(Carrier Disposition，CD)PWM，該方法可直接用于二極管箱位型多電平結(jié)構(gòu)控制，對其他類型的多電平結(jié)構(gòu)也適用；②用多個分別移相，幅值相同的三角載波與調(diào)制波比較，生成PWM波分別控制各組功率單元，然后再疊加，形成多電平PWM波形，稱為載波移相法(Phase Shift Carrier，PSD)PWM，一般用在H橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)和電容鉗位型結(jié)構(gòu)。同時，多電平載波PWM方法還需要實現(xiàn)其他的控制目標和性能指標，如中性點電壓的平衡、優(yōu)化輸出諧波、提高電壓利用率、開關(guān)功率平衡等[41,42]。解決途徑主要有:①在多載波上想辦法，即可以改變?nèi)禽d波之間的相位關(guān)系，如各載波同相位、交替相位、正反相位、以及載波移相；②在調(diào)制波上加入相應的零序分量；③對于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如H橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)、電容鉗位型結(jié)構(gòu)、以及層疊式多單元結(jié)構(gòu)，當橋臂上輸出相同的電壓時，可以有多種不同的開關(guān)狀態(tài)組合對應，不同的開關(guān)狀態(tài)組合就可以實現(xiàn)上述目標。（a）同相層疊方式（PD） （b）正負反相層疊式（POD）（c）交替反向?qū)盈B式（APOD） （d）載波移相法（PS） 適用于五電平逆變器的載波調(diào)制波形在CDPWM中，根據(jù)三角載波之間的相位關(guān)系的排列不同，可有三種載波層疊PWM方式[9]：①同相層疊方式(Phase Disposition，PD)；②正負反相層疊式（Phase Opposition Disposition，POD)；③交替反向?qū)盈B式(Alternative Phase Opposition Disposition，APOD)。載波移相法PS和APOD非常類似。需要注意的一點是：移相調(diào)制方式并不適用于二極管鉗位式多電平逆變器。