【正文】 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(shí)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(dāng)采用不同電壓的直流電源供電時(shí)，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(dāng)功率單元數(shù)目一定時(shí)，輸出電壓的電平數(shù)目進(jìn)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(jí)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(kāi)關(guān)頻率與其容量總是矛盾的統(tǒng)一體，器件的開(kāi)關(guān)頻率和功率等級(jí)成反向關(guān)系，往往功率越大的器件，開(kāi)關(guān)頻率越低，短期內(nèi)還很難有耐壓高且開(kāi)關(guān)速度快的器件進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，在選擇開(kāi)關(guān)器件時(shí)，人們要根據(jù)器件的開(kāi)關(guān)頻率的快慢和容量的大小來(lái)選擇器件。一般情況下，開(kāi)關(guān)速度較快的器件(如MOSFET、IGBT)的耐壓值相對(duì)較低，而耐壓值較高的器件(如 GTO、IGCT )的開(kāi)關(guān)速度具有局限性，雖然市場(chǎng)也有高壓IGBT產(chǎn)品，但價(jià)格十分昂貴。那么能否在同一多電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用不同功率等級(jí)的開(kāi)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(kāi)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(xué)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(shí)現(xiàn)高壓大功率的技術(shù)的思想的束縛，在同一個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用不同功率的開(kāi)關(guān)器件，使 IGBT 和IGCT(或 GTO ) 等開(kāi)關(guān)器件協(xié)同工作在一起成為可能，并且通過(guò)混合調(diào)制方法使器件開(kāi)關(guān)在不同的開(kāi)關(guān)頻率下，從而揚(yáng)長(zhǎng)避短充分發(fā)揮各種器件的自身特點(diǎn)?；旌隙嚯娖郊夹g(shù)將功率等級(jí)高的器件和開(kāi)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(jí)又能有很好的輸出特性和較快的調(diào)節(jié)速度。具有獨(dú)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(diǎn)受到廣泛的研究和應(yīng)用，其每個(gè)功率單元的獨(dú)立直流電源電壓相同，當(dāng)采用N個(gè)單元級(jí)聯(lián)時(shí)，輸出電壓的電平數(shù)為?；旌隙嚯娖降幕舅枷胧窃诖?lián)H橋多電平逆變器基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，其拓?fù)渲械莫?dú)立直流電源將采用不同的直流母線(xiàn)電壓，逆變器輸出電壓通過(guò)合成不同電壓等級(jí)功率單元的輸出而獲得的。如果獨(dú)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(dá)到 個(gè)電平[29]，這是最早被提出的混合多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用相同數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)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(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)器件。同時(shí)，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(dú)的預(yù)充電電路。逆變器直流電容電壓通常隨著運(yùn)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(lái)的問(wèn)題，必須嚴(yán)格對(duì)直流電容上的電壓進(jìn)行控制，從而使得控制方法非常復(fù)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(yīng)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)上起著至關(guān)重要的作用，在過(guò)去的20多年里，研究者對(duì)各種拓?fù)涞闹懈邏汗β首儞Q器的調(diào)制方法，進(jìn)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(kuò)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(diǎn)：①可以降低開(kāi)關(guān)頻率，降低開(kāi)關(guān)損耗；②在相同的開(kāi)關(guān)頻率下，可以生成最優(yōu)的輸出波形；③可以通過(guò)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(diǎn)式必須用牛頓迭代法求解非線(xiàn)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(yùn)算時(shí)間大大加長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)計(jì)算，因而多采用離線(xiàn)計(jì)算，利用查表法取得開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻。這樣在開(kāi)關(guān)頻率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合占用較大的內(nèi)存空間。一方面，廉價(jià)大容量存儲(chǔ)芯片的發(fā)展為用于離線(xiàn)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(hào)處理芯片的發(fā)展與一些優(yōu)化算法的出現(xiàn)，在線(xiàn)求解非線(xiàn)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(yīng)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(gè)轉(zhuǎn)換角的值。當(dāng)波形中各轉(zhuǎn)換角的值等于求出來(lái)的值時(shí)，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(jí)聯(lián)型逆變器每相串聯(lián)的H橋個(gè)數(shù)，即轉(zhuǎn)換角的個(gè)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(jī)的磁場(chǎng)定向控制。電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制的目的是通過(guò)坐標(biāo)變換，將原來(lái)強(qiáng)耦合的三相交流電機(jī)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(biāo)系下采用直流電機(jī)的控制方式進(jìn)行控制，其控制也變得相對(duì)簡(jiǎn)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(jìn)行控制。這種控制方法稱(chēng)為電壓空間矢量控制，它的特點(diǎn)在于對(duì)三相系統(tǒng)的統(tǒng)一表述和控制，以及對(duì)幅值和相位同時(shí)控制這兩個(gè)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(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使得電機(jī)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(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通圓為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。由于它把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來(lái)處理，所得模型簡(jiǎn)單，便于微機(jī)實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低，直流電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)，因此目前無(wú)論在開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制系統(tǒng)中均得到廣泛的應(yīng)用。 基于坐標(biāo)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?fù)涞亩鄻有院吞厥庑訹34,36]，在多電平逆變器PWM控制技術(shù)的應(yīng)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(guò)去多年的時(shí)間里，多電平SVPWM的研究一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。在靜止坐標(biāo)平面上，三電平逆變器每相橋臂輸出電壓有3個(gè)值，因此三相三電平逆變器有27種電壓狀態(tài)組合，對(duì)應(yīng)種不同的逆變器開(kāi)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(lèi)矢量分別簡(jiǎn)稱(chēng)為大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。在靜止坐標(biāo)平面上，根據(jù)6個(gè)大矢量將空間矢量圖分成6個(gè)正三角形區(qū)域，以大矢量PNN為起始逆時(shí)針每60度依次定義為扇區(qū)Ⅰ、Ⅱ、……、Ⅵ。然后將每個(gè)扇區(qū)分為4個(gè)或者6個(gè)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(gè)基本矢量，再用伏秒平衡原理計(jì)算各個(gè)基本矢量的作用時(shí)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(gè)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(jìn)一步判斷參考矢量位于哪個(gè)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(gè)鄰近的基本矢量，然后根據(jù)伏秒平衡可得三個(gè)基本矢量的作用時(shí)間。當(dāng)給定幅值和角度位置后，參考矢量可由鄰近的三個(gè)靜態(tài)矢量合成得到?；谶@種方法計(jì)算逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并產(chǎn)生各功率開(kāi)關(guān)器件的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)參考矢量逐一經(jīng)過(guò)每個(gè)扇區(qū)時(shí)，不同的開(kāi)關(guān)器件組將會(huì)不斷地導(dǎo)通或關(guān)斷。每當(dāng)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(huì)隨之變化一個(gè)時(shí)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(guò)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(yīng)用[39,40]。由于多電平變頻器需要多個(gè)載波，因此在調(diào)制生成多電平PWM波時(shí)有兩類(lèi)基本方法：①首先將多個(gè)幅值相同的三角載波疊加，然后與同一個(gè)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(duì)其他類(lèi)型的多電平結(jié)構(gòu)也適用；②用多個(gè)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(chēng)為載波移相法(Phase Shift Carrier，PSD)PWM，一般用在H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)和電容鉗位型結(jié)構(gòu)。同時(shí)，多電平載波PWM方法還需要實(shí)現(xiàn)其他的控制目標(biāo)和性能指標(biāo)，如中性點(diǎn)電壓的平衡、優(yōu)化輸出諧波、提高電壓利用率、開(kāi)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(yīng)的零序分量；③對(duì)于某些特殊的結(jié)構(gòu)，如H橋級(jí)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(dāng)橋臂上輸出相同的電壓時(shí)，可以有多種不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)，不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合就可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。（a）同相層疊方式（PD） （b）正負(fù)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(fù)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(lèi)似。需要注意的一點(diǎn)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。