１０ｋＶ【ｌ
Ｊ。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限
制，传统二电平逆变器的变换装置难以满足高压大 功率电能变换的要求。相比之下，多电平变换器及 其相关技术，具有诸多显著优点，被业界认为在高
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电机系统节能
２０％。远期中高压变频器市场份额将不断提升至４０ ％左右。目前国内变频器市场销售大约为每年５００－－－ ７００万ｋＷ，国外品牌占据了绝大部分市场，国产变 频器所占市场份额不超过３０％。 在“十五”期间，电力工业投资规模达到８０００ 亿元左右，是国民经济发展的先行行业，为变频器 在行业的应用提供巨大的发展机遇。行业变频器应 用主要集中在风机与泵类应用，呈现为单机功率较 大的特点。国民经济的快速发展和其他行业的技术 进步迫切要求交流变频技术的快速提升。 此外，在轧钢、造纸、水泥、煤炭、港口、船舶 等工业领域中广泛使用大中容量交流电机调速系统。 要解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工 具（电力机车，城市地铁和轻轨），其核心也是高性 能、大容量交流电机变频调速技术。大容量交流变频 调速已在实际生产应用中取得了良好的效果和显著 的经济效益。下一步的趋势是，交流变频调速技术除 了实现“按需供能”，即在满足电机速度、转矩和动 态响应要求的前提下，尽量减少输入的能量外，仍然 还有进一步节能和提高效率的潜力，这就是将生产机 械中的制动能量进行存储再利用或直接回馈电网，实 现电机的四象限运行。为了实现这一目的，人们对各 种高压变频器的主电路拓扑结构的研究进一步深入。 同时，以ＤＳＰ为代表的智能控制芯片迅速普及，也 为高压变频调速技术打下了坚实的基础。 本文将对国内外最新提出的大容量变频器主电 路拓扑结构进行综述研究，并在此基础上，从进一 步提高系统效率的角度，对大容量变频器技术的发 展方向加以深入探讨。
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四廊廓
图５单相Ｈ桥串联五电平变换器拓扑结构
将图５中具有公共端的三组Ｈ桥逆变电路用三 电平ＮＰＣ逆变器代替，可构成图６（ａ）所示的多电平 拓扑，由三电平ＮＰＣ逆变器的一个桥臂和Ｈ桥逆 变电路两部分组成。其中三电平ＮＰＣ逆变器提供主 要的基波电压和大部分输出功率，称之为主逆变桥； Ｈ桥逆变电路提供辅助的改善波形的电压和小部分 输出功率，称之为辅助逆变电路。从逆变器的开关 模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图５所示 的拓扑结构是等效的。区别在于三电平ＮＰＣ逆变器 需要的直流电容少一个，而且只需要一个直流电源 供电，但是增加了６个箝位二极管。主逆变桥和辅 助逆变电路的输出均为３电平，因此将该拓扑结构 的逆变器称为３／３主从式混合多电平逆变器。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ；ｔｏｐｏｌｏｇｙ：ｈｉｇｈ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
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引言
我国现有的电力系统容量虽然已经有了很大的
压大容量领域中具有广阔的应用前景【１１。 国内变频器市场的总体状况是，变频器的应用领 域相当广阔，几乎涵盖国民经济的各个行业，尤其建 材、冶金、食品、机械、造纸、水行业等对变频器的 需求较大，其中冶金行业的应用数量占到１１．５％的比 重。另外，一些行业设备ＯＥＭ成套率很高，行业特 点是使用功率偏小，同一规格使用量巨大，配套厂商 众多，容易形成系列化产品，主要行业有纺织（包括 化纤）、暖通与空调、楼宇自控、印刷与包装等，以 上行业变频器的设备成套率相当大，同时也是各品牌 变频器厂家争夺的重点所在。国家支柱产业的项目一 般都较大，采用变频器的功率较大，变频器单位价值 较大，行业发展迅速，变频器使崩苗巨大，其前景发 展相当乐观。据调查顶测，中国的变频器市场总的潜 在市场应为１２００～１８００亿元，目前低压变频器占市 场份额的８０％左右，中高压变频器约占市场份额的
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电机系统符能
３．２级联型结构的改进
在１９９８年的ＩＥＥＥ ＡＰＥＣ会议上Ｍ．Ｄ．Ｍａｎｊｒｅｋａｒ
等人提出了混合７电平逆变器的拓扑结构Ｉｌ ０１，与传 统Ｈ桥级联多电平的拓扑结构相似，不同之处在于 采用了不同电压等级的直流电源，以及两种类型的 功率器件ＧＴＯ和ＩＧＢＴ，如图６所示。这种拓扑基 本思路是通过“特殊”调制方法将两个等级不同的直 流电压混合组成７电平输出，主要优点是综合利用
２传统的多电平变换器结构
２．１单一直流电源多电平变换器的发展现状及特点 单一直流电源箝位型拓扑足从最初的二极管箝 位型，电容跨接筘位型，二极管和电容混合箝位型， 后来发展到彭方正综合前面几种筘位型结构，提出 的通用型结构。从技术上说，箝位型结构实际上可 分为两类：通用型结构（见图１）及其各种简化和 派生结构１２４】。 虽然通用型拓扑本身能实现电容电压自平衡ｐＪ， 但所用器件众多，成本太高，同时对各器件和系统 控制可靠性也有较高的要求，因此无法实用，目前 为止只是一个具有理论意义上的拓扑，也许将来构 成这种拓扑的大功率器件实现了集成模块化，以及 价格降低以后，有可能使之实用。
ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｓｐｅａｋｉｎｇ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｈｉｇｈ
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ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ／ｏｒ
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ｃａｌｌ
ｂｅ ｕｓｅｄ．Ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｍｏｌｅ
图１通用型拓扑结构
在通用箝位型拓扑的基础上，国内浙大的何湘 宁教授提出了一种具有冗余功能的多电平拓扑方案 初步设想，图２是五电平变换器的一相拓扑。这个 拓扑保留了靠近直流母线的两个桥臂的电容串，增 加了两个可控开关１６】。
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图２具有容错能力的通用型拓扑结构改进
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采用这种拓扑之后，增加的可控开关不但用于 箝位和平衡作用，在出现故障的时候，还可以根据 需要来实现所需电平，增加了冗余度，达到了容错 的功能。这个拓扑的优点是不但对中间电平有容错 功能，而且对最高和最低电平也有容错能力，这样 可以在一定程度上保持电平数不变的容错。不过这 个拓扑太过复杂，使用的开关管数目过多，并不是 很实用，而且当最右边的桥臂的开关管出现故障时， 会使其原有优势不复存在。 目前，应用于大容量的实用化拓扑，基本上为典 型的二极管箝位型三电平逆变器，且主要是国外产品， 如ＡＢＢ的ＡＣＳｌ０００、ＡＣＳ６０００，带输出ＲＬＣ滤波器 的高压变频器，Ａｌｓｔｏｍ（采用ＨｖＩＧＢＴ）、Ｓｉｅｍｅｎｓ（采 用ＨＶＩＧＢＴ／ＩＧＣ可）、ＡＳＩ－－Ｒｏｂｉｃｏｎ也有类似产品１７】。 ２．２独立直流电源多电平变换器的发展现状及特点 多电平变换器的主要目的之一是为了采用低耐压 器件输出高压，为了避免器件直接串联带来的动态均 压问题，也可以采用多个电气独立的直流电容分压， 输出多个台阶的电平，即具有独立直流电源的级联型 变换器。在所有的桥式级联型拓扑中，最基本的是Ｈ 桥串联结构，图３为这类Ｈ桥串联电路的两相结构图。
（ａ）
（ｂ）
图４异步电机开绕组双端供电示意图
图６已有的混合型多电平结构
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国内华中科大的邹云屏教授对混合级联型逆变 器也有相应研究，将一个三电平单相逆变桥与一个两 电平Ｈ桥逆变电路串联组成一相可构成如图６（ｂ）所示 的逆变电路。三电平单相逆变桥部分的输出为五电 平，Ｈ桥逆变电路的输出为三电平，因此将该拓扑结 构的逆变器称为５１３主从式混合多电平逆变器１１３－１５１。 ３．３带储能单元的混合多电平拓扑结构 近些年，由丁二能源危机的逐步加重，人们对于 大功率交流传动系统中能量利用效率方面的要求也 越来越高，不少学者开始研究如何利用多电平单元 进行能量存储及再利用。 在轨道交通、轧钢、矿井提升等众多应用领域， 需要大容量交流电机的频繁起制动和加减速运行， 会有大量的能量同馈，传统的方法是采用制动电阻 将其消耗掉，或采用复杂的能量同馈装置。文献【１６】 归纳出一种基本能量存储单元拓扑结构如图７所 示，该拓扑由一个多电平变换器和储能电容构成。 当瞬时功率需求较大时，由储能电容提供尖峰功率， 并且在制动回馈时吸收尖峰功率。
电机系统蒂能
大容量多电平变换器拓扑一现状与进展
李永东饶建业
（清华大学电力电子研究所，北京 摘要
１０００８４）
自２０世纪８０年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广
泛应用并日趋高性能化。大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。实现大容量变换的途径有高 电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压 大容量的关键。本文对多电平变换技术的发展进行了回顾、比较以及总结，同时，还着重介绍了 近几年国内外在这一领域研究的最新成果。基于此，对大容量多电平变换技术的发展趋势进行了 展望，希望对大容量多电平变换技术进一步的研究提供了一个参考。 关键词：高性能；多电平变换器；拓扑结构；高效节能 Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ
３混合型多电平变换器结构
由于传统的单一直流源多电平变换器在三电平以 上就很难控制电容电压的平衡，而独立直流源多电平 随着级联单无数目的增加，输入变压器的体积和成本 也不断增加。为了克服以上两类多电平结构各自的缺 点，同时，考虑综合利用他们的优点，目前，越来越 多的研究朝着混合型多电平拓扑结构的方向在发展１８】。 ３．１双端供电式级联型多电平逆变器 １９８９年日本学者ＩｓａｏＴａｋａｈａｓｈｉ首先提出了将电机 的定子绕组打开，由两个逆变器从绕组两端分别供电 的拓扑结构，见图４，这种结构能够提供较多的电平数， 降低开关损耗的同时产生更少的电压、电流谐波【９ｌ。
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｅａ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｅｘｐｅｃｔｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｗｏｒｋ