为：0 3
m a 为调制因数
ma
3 Vref Vd
0 ma 1
19
20
3. Vref位置与保持时间之间的关系
•Vref指向区域4的中点Q。
•Q和最近三个矢量V2、V7 和V14之间的距离一样，因 此作用时间相同。
•当Vref沿着虚线从Q点向 V2移动时，V2对Vref的影 响增强，使得V2的保持时 间变长。
断
断
E
[O]
断
通
通
断
0
[N]
断
断
通
通
-E
6
开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZ
Vg1~Vg4: 开关S1~S4的相应 门极驱动信号。 Vg1, Vg3:互补。 Vg2, Vg4:互补。 VAZ有三个电平：+E、0、-E 三电平逆变器由此命名。
7
三电平逆变器端电压和线电压波形
线电压VAB=VAZ-VBZ 包括五个电平: +2E、+E、0、-E、-2E
• 开关状态[O]：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在 零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。 例如，正向负载电流（IA>0）强迫DZ1导通，则A端 通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。
5
开关状态的定义:
开关状态
器件开关状态（A相）
逆变器端
S1
S2
S3
S4
电压VAZ
[P]
通
通
32
VAB的谐波分量和 THD与ma的关系曲 线
33
运行在: f1=60Hz, Ts=1/1080s Fsw,dev=570Hz 工况下，三电平NPC 逆变器在调制因数 分别为0.8,0.9时的 实测波形。
34
6.消除偶次谐波
A型开关顺序:以N型小矢量开始
B型开关顺序:以P型小矢量开始
35
交替使用A型和B型开关顺序以消除偶次谐波
8
3.换相过程
以开关状态从[O]变到[P] (S3关断、S1开通）的情况为例： S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间 。
9
换相过程假设：
•由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变； •直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电 压为E； •所有的有源开关都为理想开关。
IPD法VAB的谐波成分
48
交替反相层叠(APOD)调制方式的四电平逆变器输出波形
49
APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量
50
SIEMENS 三电平四象限中压逆变器
网侧整流器
直流环节
3电平逆变器
+
3-ph. 2.3 - 36 kV AC 50/60 Hz
2E
1
1
1
1
0
E
0
1
1
1
1
0
45
二极管箝位式多电平逆变器的器件数量
电平数目
m
3 4 5 6
有源开关
6(m 1)
12 18 24 30
箝位二极管
3(m1)(m2)
6 18 36 60
直流电容
(m 1)
2 3 4 5
46
2.基于载波的PWM
采用同相层叠（IPD）调制方式的四电平逆变器的仿真波形：
47
得 1 3 V d T a 3 3 V d c o s 6 j s i n 6 T b 1 3 V d c o s 3 j s i n 3 T c V r e f c o s j s i n T s
18
作用时间推导：
将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到
12
注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间 进行切换
13
5.3 空间矢量调制
1. 静止空间矢量
三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有V 1 827种可能的开关状态组合。
14
零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]， [OOO]和[NNN]三种开关状态；
• 小矢量(V1 ~ V6)，幅值为 V d 3 每个 小矢量包括两种开关状态，一种为 开关状态[P]，另外一种为[N]，因 此可以进一步分为P型和N型小矢量；
•当Vref和V2完全重合时， V2的保持时间Tc达到最大 值（Tc=Ts），V7和V14的 保持时间减小到零。
21
4. 开关顺序设计原则：
•从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅影响同一桥臂 上的两个开关器件：一个导通，另一个关断： •Vref从一个扇区（或区域）转移到另一个扇区（或区域）时，无需开 关器件动作或只需最少的开关动作； •开关状态对中点电压偏移的影响最小。
b)为再生运行模式， 直流电流反向流动，
结果与a)正好相反。
2.电动和再生运行模式的影响
39
3.中点电压的反馈控制
通过调整小电压矢量P型和N型开关状态的作用时间,可以控制中点 电压VZ。将作用时间Ta重新分配为：
Ta TaPTaN
其中：
T
a
P
Ta 2
(1
t)
T
a
N
Ta 2
(1 t )
式中： 1t1
VS3=VS4=E/2；
•开关状态为[P]，S1导通，DZ1 承受反压关断，负载电流从DZ1
换相到S1，VS3=VS4=E。
11
工况2：iA<0时换相 开关状态：由[O]到[P]变换
•开关状态为[O]时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA<0，DZ2导通，S1、S4上的 电压为E；
•在 时间段开始关断S3，由于
开关状态
四电平逆变器
S1
S2
S3
S
' 1
S
' 2
S
' 3
v AN
1
1
1
0
0
0
3E
0
1
1
1
0
0
2E
0
0
1
1
1
0
E
0
0
0
1
1
1
0
44
五电平开关状态和逆变器端电压VAN
S1
S2
S3
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
五电平逆变器
S4
S
' 1
S
' 2
S
' 3
S
' 4
v AN
1
0
0
0
0
4E
1
1
0
0
0
3E
1
1
1
0
0
三电平逆变器04130
5.1简 介 5.2 三电平逆变器 5.3 空间矢量调制 5.4 中点电压控制 5.5 多电平二极管箝位式逆变器 5.6 应用实例
2
5.1 简 介
中点箝位式（NPC）逆变器 :
通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是 二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三 种电平。
V1Ta TaV7TTbbVT2cTcTV s refTs
式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7 和V2的作用时间。
17
作用时间推导：
由
V1
1 3 Vd
V2
1 3
Vd
e
j
3
V7
3 3
Vd
e
j
6
Vref Vrefej
得 1 3V dT a3 3V dej 6T b1 3V dej 3T cV refejT s
36
消除偶次谐波的改 进型SVM实测波型
37
5.4 中点电压控制
1.中点电压偏移的原因
除了小电压矢量和中电压矢量的影响外,其它因素有: 1）由于制造误差造成的电容不平衡； 2）开关器件的特性不一致； 3）三相不对称运行。
38
a)为电动模式，直 流电流id从直流电 源流向逆变器。此
时，小矢量V1的P 型开关状态[POO] 导致中点电压Vz上 升，而N型开关状 态[ONN]则使Vz减 小。
感性负载电流iA不能立刻改变 方向，iA从S3换相到二极管上， 使D1、D2导通，VS1=VS2=0, S3关断期间，由于DZ2的存在， VS4不会低于E；由于S3关断时 的等效电阻小于S4的断态电阻， VS4不会低于E。所以VS3从零 上升到E，VS4保持为E
•开关状态为[P]，S1导通不会影 响电路运行，因为D1、D2已经 导通。所以负载电流不会流过 S1、S2。
22
（1）开关状态对中点电压偏移的影响
a)所示为逆变器工作在零矢量V0状态,其开关状 态为[PPP]。每个桥臂的上面两个开关导通，A、 B、C三相输出端连接到直流母线上。由于中性 点Z悬空，此开关状态不会影响VZ。类似，其他 两个零矢量[OOO]、[NNN]，也不会造成VZ偏移。
b)逆变器工作于P型小矢量开关状态[POO]时的 拓扑结构。因为三相负载连接在正直流母线和 中点Z之间，流入中点Z的中点电流iZ使得VZ上 升。
31
5.逆变器输出波形和谐波含量
三电平NPC逆变器运 行在f1=60Hz,Ts=1/1080s, Fsw,dev=1080/2+60/2=570Hz Ma=0.8条件下的仿真波形。 负载为PF=0.9的感性负载. vg1,vg4分别为S1和S4的驱动 信号，S2，S3分别与S4和S1 以互补方式运行。
23
c)与b中正好相反，V1的N型开关状态[ONN] 使VZ减小。
d)工作于开关状态[PON]的中矢量V7，负载 端子A、B和C分别连接到正母线、中点和负 母线上。在逆变器不同运行条件下，中点电 压VZ可能上升也可能下降。