1 引言
傳統(tǒng)的逆變器由于輸出的pwm脈沖波電平數(shù)很少，因此存在很高的電壓變化率和共模電壓，而且波形諧波含量較大，使得輸出濾波器的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。為了解決這些問題，發(fā)展了各種多電平逆變器電路^[1]。
所謂多電平逆變器，就是采用多個(gè)直流電源和電力電子器件經(jīng)過特定的拓?fù)渥儞Q，控制不同的直流電源輸出，將其組合成不同幅值的多電平交流輸出的功率變換裝置^[2]。這種逆變器在高壓大容量電力電子系統(tǒng)中發(fā)展迅速，成為電力電子領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。
自1980年日本學(xué)者a.nabse提出三電平中點(diǎn)箝位式逆變電路^[3]以來，經(jīng)過多年的發(fā)展。至今，已形成了二極管箝位型、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)型三類基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[4]。這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都具有各自的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)。二極管箝位型多電平逆變器是開發(fā)最早的一種多電平逆變器。這種逆變器的特點(diǎn)是主電路和控制電路比較簡(jiǎn)單，控制方法也比較簡(jiǎn)單，便于雙向功率流動(dòng)的控制，缺點(diǎn)是所需器件較多需要大量的箝位二極管。飛跨電容型多電平逆變器是用飛跨電容取代二極管對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行箝位，因?yàn)槭褂么罅侩娙萜?，使得器件體積較大并且存在電容充放電電壓平衡問題，因此在實(shí)際中應(yīng)用不多。級(jí)聯(lián)h橋式逆變器，具有容易實(shí)現(xiàn)模塊化，易于拓展等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的關(guān)注。但是級(jí)聯(lián)式多電平逆變器需要大量的直流電壓源，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用^[5]。
針對(duì)傳統(tǒng)逆變器拓?fù)涞纳鲜霾蛔?，本文提出了一種新型7電平電壓源型逆變器。其電路拓?fù)渲恍枰?0個(gè)單向功率開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)7電平交流輸出。與傳統(tǒng)的七電平電壓源逆變器相比，具有開關(guān)器件少，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2 電路結(jié)構(gòu)
圖1給出了新型電壓源型多電平逆變器的電路拓?fù)洹１?給出了在輸出7電平的情況下，該改進(jìn)型電路需要的元件與傳統(tǒng)的幾種電路需的元件數(shù)目比較。

表1 元件數(shù)目比較

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

圖1中的開關(guān)器件sa1、sa2、sa1’、sa2’構(gòu)成了傳統(tǒng)的三電平箝位二極管電路，sb1、sb2、sb1’、sb2’也構(gòu)成了三電平箝位二極管電路。將兩個(gè)電路合并成了全橋五電平鉗位二極管電路。在此基礎(chǔ)上，增加4個(gè)開關(guān)器件sc和sc’，就構(gòu)成了新型電路拓?fù)洹９β书_關(guān)管sc和sc’，sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’，sb2和sb2’，分別工作在互補(bǔ)狀態(tài)。這樣就只有5個(gè)可以獨(dú)立通斷的開關(guān)器件sb1、sb2、sa1、sa2和sc共可以產(chǎn)生出32種開關(guān)組合方式，其中14種為有效的開關(guān)組合方式?？稍诮涣鱾?cè)合成7種不同的輸出電壓，分別為±3e、±2e、±e和0。

3 電路工作原理
圖1所示的電路共有14種有效的開關(guān)組合方式，其開關(guān)組合方式如表2所示。

表2 逆變器的運(yùn)行狀態(tài)

表2列出了14種有效的開關(guān)狀態(tài)。由于篇幅有限，圖2僅給出其中8種開關(guān)狀態(tài)的等效電路。

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

圖2 等效電路

開關(guān)狀態(tài)1等效電路如圖2（a）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sc’、sa1、sa2、sb1’、sb2’處于導(dǎo)通狀態(tài)。由2個(gè)串聯(lián)的分壓電容提供輸出為2e的電壓。
開關(guān)狀態(tài)2等效電路如圖2（b）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sc’、 sa1、sa2、sb2和sb1’處于導(dǎo)通狀態(tài)。由1個(gè)分壓電容提供為e的輸出電壓。
開關(guān)狀態(tài)3等效電路如圖2（c）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sa2、sa1’、sc、sb2和sb1’處于導(dǎo)通狀態(tài)。直流電壓源沒有被接入電路。輸出電壓為0。
開關(guān)狀態(tài)4等效電路如圖2（d）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sa2、sa1’、sc’、sb2和sb1’處于導(dǎo)通狀態(tài)。直流電壓源沒有被接入電路。輸出電壓為0。
開關(guān)狀態(tài)5等效電路如圖2（e）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sa1’、 sa2’、sc’、sb2和sb1’處于導(dǎo)通狀態(tài)。由1個(gè)分壓電容提供為e的輸出電壓。
開關(guān)狀態(tài)6等效電路如圖2（f）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sc’、sa1’、sa2’、sb1、sb2處于導(dǎo)通狀態(tài)。由2個(gè)串聯(lián)的分壓電容提供輸出為2e的電壓。
開關(guān)狀態(tài)7等效電路如圖2（g）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sc、sa1’、sa2’、sb1、sb2處于導(dǎo)通狀態(tài)。由2個(gè)分壓電容以及1個(gè)直流電壓源串聯(lián)提供輸出為-3e的電壓。
開關(guān)狀態(tài)8等效電路如圖2（h）所示，在這種組合方式中，開關(guān)管sc、sa1、sa2、sb1’、sb2’處于導(dǎo)通狀態(tài)。由2個(gè)分壓電容以及1個(gè)直流電壓源串聯(lián)提供輸出為3e的電壓。
未給出的開關(guān)狀態(tài)的基本工作原理與已給出的8種開關(guān)方式完全相同。本文不再贅述。

4 控制策略
pwm技術(shù)中應(yīng)用最為普遍的是正弦脈寬調(diào)制(spwm)和電壓空間矢量脈寬調(diào)制(svpwm)。在多電平逆變器中正弦脈寬調(diào)制應(yīng)用比較廣泛。而正弦脈寬調(diào)制又分為載波位移調(diào)制和移向載波調(diào)制。由于新型電路有多達(dá)14種的有效開關(guān)組合方式，因此控制方法的選取上也更加靈活。由于篇幅有限，本文給出了新型電路的spwm控制方法。如圖3所示。在該電路中共有10個(gè)開關(guān)器件，sc和sc’，sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’，以及 sb2和sb2’分別工作在互補(bǔ)狀態(tài)。根據(jù)電路拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)a、b橋臂以及開關(guān)管sc和sc’要分別控制。載波采用反相三角波層疊方式。a橋臂和b橋臂的載波在相位上相差1/4周期。a、b橋臂采用反相的正弦波作為調(diào)制波，其幅值相等，以使a、b橋臂的輸出電壓具有大小相等相位相反的基波電壓，以便于疊加。開關(guān)管sc和sc’負(fù)責(zé)產(chǎn)生2e和3e的電壓。sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’， sb2和sb2’負(fù)責(zé)產(chǎn)生2e和e的電壓以及負(fù)責(zé)控制電壓為正或負(fù)。

圖3 spwm工作原理

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證所提出的新型拓?fù)湟约翱刂品椒ǖ恼_性。本文使用了matlab軟件對(duì)所提出的新型拓?fù)湟约翱刂品椒ㄟM(jìn)行了仿真研究，取e（1個(gè)電平的電壓值）=50v，調(diào)制比m=0.8，三角載波頻率fc=1khz，負(fù)載由1個(gè)8ω電阻和1個(gè)7mh的電感串聯(lián)而成。系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

（a）輸出電壓波形

（b）輸出電流波形
圖5 逆變器仿真結(jié)果

圖5（a）為逆變器的輸出電壓波形，利用開關(guān)組合可以合成如圖5所示的電壓輸出，共有7種不同的電平輸出為0、±50、±100、±150。圖5（b）為逆變器的輸出電流波形。

6 結(jié)束語
本文主要研究了多電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。提出了一種新型七電平電壓型逆變器，新的電路拓?fù)湎啾扔趥鹘y(tǒng)七電平逆變器所需器件少，可靠性高。并且由于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)箝位二極管電路的基礎(chǔ)上擴(kuò)展得到的。所以，電路的拓展比較容易。

作者簡(jiǎn)介
侯李祥（1986-） 男 碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。
呂躍剛（1958-） 男 教授/碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)。

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