多电平变频器控制策略的研究

王畅

重庆市轨道交通（集团）有限公司 重庆 401120

[摘要]多电平逆变器优势在于使用可靠性与节能降耗，历来备受电器行业领域的广泛关注与认可，越来越多被应用于工业生产当中，但在使用电平数量巨增之下，同时也带来复杂性的控制技术难题。基此，文章结合多电平基本型逆变器拓扑结构概论、多电平式逆变器调制脉宽技术攻略两个层次，系统展开不同类别的多电平逆变器原理分析，探讨各自不同的技术特点，为研究多电平逆变器控制提出一些粗浅的见解。[关键词]逆变器控制，多电平调制技术，策略研究

时代高效发展带来工业科技革命性巨大演变，在电能变换领域当中，电子电力设备已经完全融入到人们的学习与生活中间，成为不可或缺的生存发展依赖。自第一只三电平中点式钳位型逆变器发明之始，多电平式逆变器便凝聚了世人的关注目光，历经多年的研发创变，具有跨时代意义的数种多电平式逆变器电路相继问世，同时，所对应的调制控制思路也破壳而出。发展至今，其主要结构可分列为电容箝位式与h桥级联式、电容飞跨嵌位式与箝住二极管式等多个种类。

一、精采纷呈：多电平基本型逆变器拓扑结构概论

（一）箝位式二极管逆变器。钳位式二极管多电平逆变器最早被研发出来，可谓多电平逆变器的“鼻祖”，同时，此拓扑结构也是到目前最多研究的一种，它通过串连方式将高压电容分化出一系列低电压，以此完成多电平分解输出。该拓扑结构最突出的特点，在于高压分流逆变。

（二）电容飞跨式逆变器。将箝位二极管三电平式逆变器当中二极管单独挑选出来，以飞跨电容替代，进行电路的钳位运作。以一个钳位型单相电容三电平式逆变器为例，为保证输出，可能够产生阶梯型3电平电压，可于直流一侧填加两个电容，将器件电压同等箝位于单个电容器电压标准，可维持0、vdc/2及－vdc/2三种电压输出状态。

（三）联式h桥级逆变器。h桥思路是受现实中普通桥梁启发而来，是在现实基础上展开研发思维的，主要是将直流电压源通过两个或两个以上相对独立的输出分流，实现多电平的表现方式，这种方式可有效解决均衡电压问题。这种结构相较之前更趋于合理，技术方法更便于多电平数的阶梯扩展，可产生更高电压的输出。如级联三电平型逆变器所拓扑出的电路，即是由两个h桥级电容平联而成。

（四）多电平新型逆变器。相对而言，大容量高压场合以多电平式逆变器应用较为常见，如大电机高压变频调速、无功大功率补偿以及电机大功率传动等，应用最为突出，之所以在低中功率场合鲜见其身影，主要是电路结构及调制方法的复杂性使其无形中受到限制。但也不是没有例外，如中低功率场合的应用是少见的个例，却只能是通过加大两电平式逆变器关开频率的方式，以此追求更轻量化、小型化的电子电力装置，求得输出波形的优化，这样的做法往往得不偿失，徒增额外的功能损耗，导致电磁干扰进一步加剧等等。基于这层因素考虑，近年来一种新型拓扑应时而出，它是基于桥式结构增设一个或数个辅助双向开关，创变出三电平或多电平式逆变器扣扑结构。 二、魅力四射：多电平式逆变器调制脉宽技术攻略

尽管各类多电平式逆变器自成独有结构并彰显不同的亮点，但是万变不离其宗，所有这些又同时指向pwm——一种密切相关的控制方式，通常而言，多电平式逆变器所青睐的pwm控制方式固有其多目标、高性能指标追求的优势，但其最主要控制目标无外乎三个：一是控制输出电压，二是改善电压输出波形，三是平衡控制直流式分压电容。单就目前技术研发来说，多电平式逆变器其主要控制方式大致分为载波叠层法与载波相移法、pwm优化法与谐波pwm特定法以及pwm空间向量法等。

（一）三角载波层叠法。此方法是从pwm两电平法左接发展而来，它具有两组幅值及频率相同式三角载波分割而成，上下两层叠层，且三角载波的两组波幅呈对称状，分别分布于横轴上下两瑞，然后以同一处调制波与比较，进而找出三角载波层叠法的主要思路，结今三角载波两处波幅的相位关系，该层叠法又可细分出pwm反相载波层叠控制方式，以及pwm同相载波层叠控制法。

（二）频率pwm优化法。三电平箝位式频率pwm优化控制基本等同于三角载波叠层法，不同之处在于克服了三角载波式叠层叠法的一些缺陷，如开关损耗较大，直流电压较低利用率，平衡中点电压难等诸多问题。所应对措施也一并改进：以零序谐波渗透正弦调制波，或者以梯形调制法取代正弦式调制波，这样做的目的，在于压平正弦调波波顶，以此促使开关频率全面降低，确保直流电压效率进一步提升。具体到pwm三角载波优化调制控制，常以三种类型为代表。

一是pwm特定谐波消除控制法。相对箝位式二极管逆变器而言，特定谐波消除法重在电压输出波形，属于某些低次谐波特定控制的的pwm类型控制法，此方法与两电平式逆变器谐波特定消除方法极为相似。无独有偶，三电平式逆变器的开关切换也是通过预设时间、特定模式进行的，从而达到预期pwm控制的目的。概括起来其优点很多：不仅使开关频率大为降低，从而降低无谓的能量损耗；在频率相同的开关操作当中，可以产生尽可能多的输出电压波形；也可借助pwm的有效控制取得更佳的基波电压，使得直流电源拥有高应用率的输出电压的。

二是pwm电压向量空间控制法。该控制方法不同于pwm三角载波控制法，它是基于从交流电动机的独有特性，力求交流电动真磁通圆形轨迹获得恒定的幅值，确保磁通链正弦轨迹始终控制在设计之内。此种控制方式优势，在于将逆变器与交流电动机进行整体化管理，使得开关模式更为快捷方便，利于计算机进行实时控制管理，并具有小脉动转矩、低噪声以及直流电压能够充分利用的优势，因此应用得极为广泛。

三是pwm电压空间向量控制法。此控制方法作为后起之秀，研发原理是基于pwm电压空间向量控制而来，主要重在选取最佳的矢量空间，在优中选优的基础上合理选取三相电压电平实际值，进而产生pwm三相电压式控制全新模式。其主要特点，在于先期借鉴电平圆整的形式，将待选空间矢量尽量限制于矢量参考电压范围之内，而后将参考矢量与这些空间矢量全面对比，进行一对一权衡，并找出与参考矢量电压最为接近的矢量数值，进而标定空间电压最优矢量，进一步得出输出电压最优电平值。

三、结语

时代发展带来了工业科技翻天覆地的巨大演变，应时代发展所需，变频电能设备已逐渐融入到大众工作生活空间，成为不可或缺的发展能量支撑。笔者在充分调查研究的基础上，针对目前多电平逆变拓扑结构展开了细致的研究，并提出了一些不成熟的看法，希望能对进一步的技术研发工作有所帮助，为促工业科技发展尽到应当的本份。

参考文献

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