0 导言
动力缺少和环境污染是人类当时面对的一起的世纪性难题。上世纪70时代以来两次国际性的动力危机以及当时环境问题的严峻性，引起国际各国对节能技能的广泛重视。我国动力出产和消费已列国际第二，但仍远远满意不了工业出产和人民生活开展的需求，在动力非常严峻的状况下，却由于在节能方面的巨大距离，形成单位产量能耗太大，每年的动力糟蹋惊人。如恰当一部分的风机、水泵类负载，由于采纳恒速驱动，糟蹋掉许多的电能。这类拖动体系约占工业电力拖动总量的一半，假如选用调速节能技能则至少可节省20%以上的电能。我国“十一五”规划提出了不断行进动力运用功率和效益的节能方针，而节能作业的要点则放在推广量大面广的节能技能上。其间一项重要措施便是要逐步完成电动机、风机、泵类设备和体系的经济运转，开展电机调速节电和电力电子节电技能，只要这样才能以较低的动力消费弹性系数和较大的节能量来长时间支撑国民经济快速、健康、继续的开展。
此外，许多的煤炭、石油没有经过深加工就被烧掉，不光热运用率低，还形成对环境的严峻污染。现在，轿车废气排放过度已形成全球性的温室效应，也是形成北京地区空气污染的首要原因之一。处理城市环境污染和交通拥堵的重要途径是开展高速公共交通工具(地铁，城市轻轨)及电动轿车，高速电气化列车则是完成城际快速交通的首选，其核心技能都是上世纪80 时代以来和微电子技能齐头并进飞速开展起来的一门新技能———现代电力电子及沟通电机传动技能。此外，在轧钢、造纸、水泥制造、矿井行进、轮船推动器等工业和民用范畴中也应广泛运用大中容量沟通电机调速体系。此刻，沟通调速体系的运用不光可到达节能的意图，还可完成整个体系的功用最佳，改善工艺条件，并大大行进出产功率和产品质量。
从现在把握的材料和商场上供给的大容量调速产品能够看到，现在每年国际范围内的沟通电机调速体系的硬件，软件和外围设备的总出售额是48.5亿美元。其间欧洲、中东和非洲一共占39%，日本占27%，北美占21%，亚洲12%，最终是拉丁美洲的1%。从体系功率的出售散布看，小功率的调速体系依然支配着商场，1~4 kW 的调速体系占了总出售额的21%，5~40 kW体系则占总出售额的26%。可是跟着以IGBT、IGCT为代表的新式复合器材耐压、电流和开关功用的敏捷行进，大容量沟通电机调速技能必将取得飞速的开展和长足的行进，其商场前景
非常鼓舞人心。
国外在高功用大容量沟通电机传动技能的研讨和运用上远远走在咱们前面，已有MV·A级的高压逆变器产品许多投入商场，并运用于电力机车、船舰电力推动、轧钢、造纸及供水等体系中，沟通电机变频调速技能及其产品已成为一些工业发达国家的先导工业。现在我国大、中容量沟通调速体系的研发作业起步较晚，许多必需的场合均为国外产品所占据。
因而，研发功用牢靠，价格便宜的大、中容量高功用沟通电机变频调速体系，并赶快投入批量出产，对促进国民经济开展，完成经济添加办法改动，下降单位
产量能耗，打破西方国家在此范畴的独占位置，都将具有重要的战略和实践意义。
1 大容量沟通电机调速技能开展现状
20世纪80时代以来，现代电力电子技能开端向高频、高效(低开关损耗)、高功率因数、高功率密度(组合集成化)及高压大功率方向敏捷开展。以GTO、JT、MOSFET 为代表的自关断器材得到长足的开展，特别是以IGBT 为代表的双极型复合器材的惊人开展，使得电力电子器材正沿着大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向行进。伴跟着电力电子器材的飞速开展，大功率逆变器及沟通调速技能的开展也日趋高功用化。
1.1 传统大功率逆变电路
传统的大功率沟通电机调速体系选用的改换器首要有：
1)一般交-直-交三相逆变器;
2)降压-一般变频器-升压;
3)交- 交变频器;
4)变压器耦合的多脉冲逆变器。
以上的大功率改换电路研讨比较老练，但在完成大功率沟通传动的一起，在功用上没有什么打破，且设备杂乱，制造本钱高，操控办法牢靠性低，并且对电网污染严峻，功率因数低，无功损耗大，须附加谐波管理设备，设备本钱成倍添加。因而近十几年来，一些新式高压大功率逆变器，特别是电压型多电平改换器拓扑引起了许多学者的留意。
1.2 新式多电平电压型逆变器
日本长冈科技大学的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年会上初次提出三电平逆变器，又称中点箝位式(NPC)逆变器。它的呈现为高压大容量电压型逆变器的研发拓荒了一条新思路。在此基础上，经过多年的研讨，开展出几种首要的多电平改换器拓扑结构，首要分两种[1][2][3]：第一种为单一直流电源的箝位型改换器拓扑，包含二极管箝位型(DiodeClamped)，电容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基础上开展出的通用型拓扑，还有层叠式多单元拓扑(Stacked Multi-cell);第二种为独立直流电源的级联型拓扑(Cascaded Inverter with Separated DCSource)。现有的多电平改换器分类如图1所示。
依据直流电压源的性质和串联办法不同，上述两种拓扑能够用两个电路模型表明：单一直流电源直接串联分压模型和多个电气独立的直流电源串联模型，别离如图2 和图3 所示。在图2中，多电平改换电路能够等效为虚线中的多路开关，实践中是由功率开关器材网络构成的，不同的开关状况即代表接到不同的节点。图3 中作为直流电源的VDC1……
VDCn经过改换电路的不同开关状况，能够在输出端组合出多种电平值。
多电平改换器拓扑结构与一般两电平逆变器比较具有以下长处：
1)更适合大容量、高压的场合;
2)可发生M层阶梯形输出电压，理论上行进电平数可接近纯粹弦波形，谐波含量很小;
3)电磁搅扰(EMI)问题大大减轻，由于开关器材一次动作的dv/dt 一般只要传统双电平的1/(M-1);
4)功率高。消除相同谐波，双电平选用PWM操控法开关频率高、损耗大;而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小，功率行进。
除上述一起特色外，几种拓扑结构各有优缺陷，
现比较如下。
1.2.1 二极管箝位的多电平逆变器
二极管箝位式多电平结构是呈现较早，运用场合较多的一种结构。这种结构的特色是选用多个二极管对相应开关器材进行箝位，输出相应M电平的相电压。二极管箝位式拓扑具有多电平逆变器一起的长处，但存在本身缺乏：
1)箝位二极管接受的电压不均匀;
2)器材所需额外电流不同，按最大额外规划将形成(M-1)(M-2)/2 的开关器材容量上有所糟蹋，运用功率低;
3)直流侧电容由于一个周期内的流入和流出的电流或许不相等，形成不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时呈现不均衡现象;
4)当进行有功传递时，如不附加恒压设备，必将导致M 电平逐步变为三电平(M 为奇数)或两电平(M为偶数)。处理的办法一般可用PWM电压调理器
或电池来替代电容，但这样又将导致体系杂乱，使本钱升高。
为处理以上问题，在传统的二极管箝位式多电平结构上呈现了几种改善型结构。在两个相邻箝位二极管两头加上箝位电容的改善拓扑结构不光处理了二极管串联问题，并且所加电容对开关器材关断时的过压进行箝位。由于所加电容充放电的效果，减小了直流侧电容电压的不平衡性，且能完成电流的双向活动。另一种是将两个相同改换器背对背运用的改善结构，左面作为整流器，右边作为逆变器，把直流侧电容相应节点进行衔接，可较好地平衡电容电压。
1.2.2 电容箝位的多电平逆变器
电容箝位的多电平逆变器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年会上提出，开始意图是削减NPC 多电平逆变器中过多的箝位二极管，即选用悬浮电容器来替代箝位二极管作业，直流侧的电容不变。其作业原理与二极管箝位电路类似。比照二极管箝位多电平逆变器，这种拓扑结构虽省去了许多的二极管，但又引入了不少电容。对高压大容量体系而言，电容体积巨大、占地多、本钱高、封装不易。
电容的引入使电压组成的挑选增多，开关状况的挑选具有更大的灵活性，经过在同一电平上进行适宜的不同开关状况的组合，使电容电压坚持均衡，可较好地运用于有功调理和变频调速体系，但操控办法变得较为杂乱，并且开关频率将增高，开关损耗加大，功率随之下降。
为坚持电容电压的平衡，Meynard提出了一种选用背对背的改换器结构来调整电容充放电的平衡，并选用成必定份额的开关形式来一起操控整流桥和逆变桥，使得流向电容的功率和从电容流出的功率相同。经过对电容电压进行检测，假如呈现不平衡，能够恰当改动整流桥的操控。其缺陷是，引入了许多的悬浮电容，并且存在着电容电压平衡的问题，现在法国ALSTOM公司已开发出此类产品。
1.2.3 电压自平衡式多电平变频器拓扑
2000年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需求凭借附加的电路来按捺直流侧电容的电压偏移问题，从理论上完成了一个真实的有实践运用价值的多电平结构，传统的二极管箝位式和电容箝位式电路拓扑也能够由它简化和开展而来。
高压大容量多电平电路的一个技能难点便是中点电压的操控问题。关于三电平及以上电平数的拓扑，假如中点电压操控的欠好，是不能有效地运用于大容量的电能改换场合的。关于以上几种拓扑结构，电压高于三电平常，或者是需求阻隔的直流电源，或者是需求添加一个杂乱的电路结构来协助保持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功用，关于各种逆变器操控战略和负载状况，都能有效地操控中点电压。
图4即为这种新式的自平衡多电平结构单相的拓扑，它是由根本的两电平单元组成的。由于根本的单元是一个两电平的单相电路(a two-level phaseleg)，所以由它组成的多电平结构又叫做P2多级逆变器。
这种可电压自平衡的P2多电平拓扑的特色是：
1)体系的电能损耗反比于电容量和开关频率，行进开关频率和参加一些特定的开关状况能够大大减小损耗，行进体系功率;
2)比较一般的二极管箝位和电容箝位式拓扑，该体系各级的中点电压都能得到很好的操控;
3)对一个M级电平的P2逆变器体系，所需的开关器材/ 二极管数目为M(M-1)，需求的电容器数量为M(M-1)/2;
4)核算简略，器材应力可到达最小化。
对图4的体系进行简化和变形，能够得到传统的二极管箝位和电容箝位式多电平拓扑，以及一些其他的改善拓扑。去掉图4所有的箝位开关，能够得到二极管-电容箝位的多电平体系，如图5 所示;而去掉箝位开关和二极管，则得到电容箝位式的多电平体系，如图6 所示;去掉箝位开关和电容，可得到二极管箝位式拓扑，如图7所示;再对调二极管的衔接，可得到一种改善的背对背的二极管箝位式体系，如图8所示。
这种通用的多电平拓扑的运用还包含开关电容DC-DC 改换器和倍压电路;此外，结合其他电路的运用还可完成双向的DC-DC 改换。也能够用三电平单元替代两电平单元来完成多电平变频器。
