0 引言

能源短缺和環(huán)境污染是人類當前面臨的共同的世紀性難題。上世紀70年代以來兩次世界性的能源危機以及當前環(huán)境問題的嚴重性，引起世界各國對節(jié)能技術的廣泛關注。我國能源生產(chǎn)和消費已列世界第二，但仍遠遠滿足不了工業(yè)生產(chǎn)和人民生活發(fā)展的需要，在能源十分緊張的情況下，卻因為在節(jié)能方面的巨大差距，造成單位產(chǎn)值能耗太大，每年的能源浪費驚人。如相當一部分的風機、水泵類負載，由于采取恒速驅動，浪費掉大量的電能。這類拖動系統(tǒng)約占工業(yè)電力拖動總量的一半，如果采用調速節(jié)能技術則至少可節(jié)約20%以上的電能。我國“十一五”規(guī)劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節(jié)能目標，而節(jié)能工作的重點則放在推行量大面廣的節(jié)能技術上。其中一項重要措施就是要逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設備和系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，發(fā)展電機調速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術，只有這樣才能以較低的能源消費彈性系數(shù)和較大的節(jié)能量來長期支持國民經(jīng)濟快速、健康、持續(xù)的發(fā)展。

此外，大量的煤炭、石油沒有經(jīng)過深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對環(huán)境的嚴重污染。目前，汽車廢氣排放過度已造成全球性的溫室效應，也是造成北京地區(qū)空氣污染的主要原因之一。解決城市環(huán)境污染和交通擁擠的重要途徑是發(fā)展高速公共交通工具(地鐵，城市輕軌)及電動汽車，高速電氣化列車則是實現(xiàn)城際快速交通的首選，其核心技術都是上世紀80 年代以來和微電子技術并駕齊驅飛速發(fā)展起來的一門新技術———現(xiàn)代電力電子及交流電機傳動技術。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進器等工業(yè)和民用領域中也應廣泛使用大中容量交流電機調速系統(tǒng)。此時，交流調速系統(tǒng)的應用不但可達到節(jié)能的目的，還可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

從目前掌握的資料和市場上提供的大容量調速產(chǎn)品可以看到，目前每年世界范圍內的交流電機調速系統(tǒng)的硬件，軟件和外圍設備的總銷售額是48.5億美元。其中歐洲、中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統(tǒng)功率的銷售分布看，小功率的調速系統(tǒng)仍然支配著市場，1~4 kW 的調速系統(tǒng)占了總銷售額的21%，5~40 kW系統(tǒng)則占總銷售額的26%。但是隨著以IGBT、IGCT為代表的新型復合器件耐壓、電流和開關性能的迅速提高，大容量交流電機調速技術必將獲得飛速的發(fā)展和長足的進步，其市場前景

十分鼓舞人心。

國外在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和應用上遠遠走在我們前面，已有MV·A級的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場，并應用于電力機車、船艦電力推進、軋鋼、造紙及供水等系統(tǒng)中，交流電機變頻調速技術及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達國家的先導產(chǎn)業(yè)。目前我國大、中容量交流調速系統(tǒng)的研制工作起步較晚，很多必需的場合均為國外產(chǎn)品所占領。

因此，研制性能可靠，價格便宜的大、中容量高性能交流電機變頻調速系統(tǒng)，并盡快投入批量生產(chǎn)，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉變，降低單位

產(chǎn)值能耗，打破西方國家在此領域的壟斷地位，都將具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。

1 大容量交流電機調速技術發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代以來，現(xiàn)代電力電子技術開始向高頻、高效(低開關損耗)、高功率因數(shù)、高功率密度(組合集成化)及高壓大功率方向迅速發(fā)展。以GTO、JT、MOSFET 為代表的自關斷器件得到長足的發(fā)展，尤其是以IGBT 為代表的雙極型復合器件的驚人發(fā)展，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅動、低損耗、智能模塊化的方向前進。伴隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，大功率逆變器及交流調速技術的發(fā)展也日趨高性能化。

1.1 傳統(tǒng)大功率逆變電路

傳統(tǒng)的大功率交流電機調速系統(tǒng)采用的變換器主要有：

1)普通交-直-交三相逆變器;

2)降壓-普通變頻器-升壓;

3)交- 交變頻器;

4)變壓器耦合的多脈沖逆變器。

以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實現(xiàn)大功率交流傳動的同時，在性能上沒有什么突破，且裝置復雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數(shù)低，無功損耗大，須附加諧波治理裝置，設備成本成倍增加。因此近十幾年來，一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓撲引起了許多學者的注意。

1.2 新型多電平電壓型逆變器

日本長岡科技大學的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式(NPC)逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。在此基礎上，經(jīng)過多年的研究，發(fā)展出幾種主要的多電平變換器拓撲結構，主要分兩種[1][2][3]：第一種為單一直流電源的箝位型變換器拓撲，包括二極管箝位型(DiodeClamped)，電容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基礎上發(fā)展出的通用型拓撲，還有層疊式多單元拓撲(Stacked Multi-cell);第二種為獨立直流電源的級聯(lián)型拓撲(Cascaded Inverter with Separated DCSource)?，F(xiàn)有的多電平變換器分類如圖1所示。

根據(jù)直流電壓源的性質和串聯(lián)方式不同，上述兩種拓撲可以用兩個電路模型表示：單一直流電源直接串聯(lián)分壓模型和多個電氣獨立的直流電源串聯(lián)模型，分別如圖2 和圖3 所示。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線中的多路開關，現(xiàn)實中是由功率開關器件網(wǎng)絡構成的，不同的開關狀態(tài)即代表接到不同的節(jié)點。圖3 中作為直流電源的VDC1……

VDCn經(jīng)過變換電路的不同開關狀態(tài)，可以在輸出端組合出多種電平值。

多電平變換器拓撲結構與普通兩電平逆變器相比具有以下優(yōu)點：

1)更適合大容量、高壓的場合;

2)可產(chǎn)生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波形，諧波含量很小;

3)電磁干擾(EMI)問題大大減輕，因為開關器件一次動作的dv/dt 通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/(M-1);

4)效率高。消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關頻率高、損耗大;而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作，開關頻率低、損耗小，效率提高。

除上述共同特點外，幾種拓撲結構各有優(yōu)缺點，

現(xiàn)比較如下。

1.2.1 二極管箝位的多電平逆變器

二極管箝位式多電平結構是出現(xiàn)較早，應用場合較多的一種結構。這種結構的特點是采用多個二極管對相應開關器件進行箝位，輸出相應M電平的相電壓。二極管箝位式拓撲具有多電平逆變器共同的優(yōu)點，但存在自身不足：

1)箝位二極管承受的電壓不均勻;

2)器件所需額定電流不同，按最大額定設計將造成(M-1)(M-2)/2 的開關器件容量上有所浪費，利用效率低;

3)直流側電容由于一個周期內的流入和流出的電流可能不相等，造成不同級的直流側電容電壓在傳遞有功功率時出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象;

4)當進行有功傳遞時，如不附加恒壓裝置，必將導致M 電平逐漸變?yōu)槿娖?M 為奇數(shù))或兩電平(M為偶數(shù))。解決的辦法通常可用PWM電壓調節(jié)器

或電池來代替電容，但這樣又將導致系統(tǒng)復雜，使成本升高。

為解決以上問題，在傳統(tǒng)的二極管箝位式多電平結構上出現(xiàn)了幾種改進型結構。在兩個相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進拓撲結構不但解決了二極管串聯(lián)問題，而且所加電容對開關器件關斷時的過壓進行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側電容電壓的不平衡性，且能實現(xiàn)電流的雙向流動。另一種是將兩個相同變換器背對背使用的改進結構，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，把直流側電容相應節(jié)點進行連接，可較好地平衡電容電壓。

1.2.2 電容箝位的多電平逆變器

電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年會上提出，最初目的是減少NPC 多電平逆變器中過多的箝位二極管，即采用懸浮電容器來代替箝位二極管工作，直流側的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對比二極管箝位多電平逆變器，這種拓撲結構雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓大容量系統(tǒng)而言，電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。

電容的引進使電壓合成的選擇增多，開關狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性，通過在同一電平上進行合適的不同開關狀態(tài)的組合，使電容電壓保持均衡，可較好地應用于有功調節(jié)和變頻調速系統(tǒng)，但控制方法變得較為復雜，而且開關頻率將增高，開關損耗加大，效率隨之降低。

為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對背的變換器結構來調整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開關模式來同時控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過對電容電壓進行檢測，如果出現(xiàn)不平衡，可以適當改變整流橋的控制。其缺點是，引入了大量的懸浮電容，而且存在著電容電壓平衡的問題，目前法國ALSTOM公司已開發(fā)出此類產(chǎn)品。

1.2.3 電壓自平衡式多電平變頻器拓撲

2000年美國密執(zhí)根大學的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓撲，它不需要借助附加的電路來抑制直流側電容的電壓偏移問題，從理論上實現(xiàn)了一個真正的有實際應用價值的多電平結構，傳統(tǒng)的二極管箝位式和電容箝位式電路拓撲也可以由它簡化和發(fā)展而來。

高壓大容量多電平電路的一個技術難點就是中點電壓的控制問題。對于三電平及以上電平數(shù)的拓撲，如果中點電壓控制的不好，是不能有效地應用于大容量的電能變換場合的。對于以上幾種拓撲結構，電壓高于三電平時，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個復雜的電路結構來幫助維持中點電壓的平衡。這種新的拓撲結構具有電壓自平衡的功能，對于各種逆變器控制策略和負載情況，都能有效地控制中點電壓。

圖4即為這種新型的自平衡多電平結構單相的拓撲，它是由基本的兩電平單元組成的。因為基本的單元是一個兩電平的單相電路(a two-level phaseleg)，所以由它組成的多電平結構又叫做P2多級逆變器。

這種可電壓自平衡的P2多電平拓撲的特點是：

1)系統(tǒng)的電能損耗反比于電容量和開關頻率，提高開關頻率和加入一些特定的開關狀態(tài)可以大大減小損耗，提高系統(tǒng)效率;

2)相比一般的二極管箝位和電容箝位式拓撲，該系統(tǒng)各級的中點電壓都能得到很好的控制;

3)對一個M級電平的P2逆變器系統(tǒng)，所需的開關器件/ 二極管數(shù)目為M(M-1)，需要的電容器數(shù)量為M(M-1)/2;

4)計算簡單，器件應力可達到最小化。

對圖4的系統(tǒng)進行簡化和變形，可以得到傳統(tǒng)的二極管箝位和電容箝位式多電平拓撲，以及一些其他的改進拓撲。去掉圖4所有的箝位開關，可以得到二極管-電容箝位的多電平系統(tǒng)，如圖5 所示;而去掉箝位開關和二極管，則得到電容箝位式的多電平系統(tǒng)，如圖6 所示;去掉箝位開關和電容，可得到二極管箝位式拓撲，如圖7所示;再對調二極管的連接，可得到一種改進的背對背的二極管箝位式系統(tǒng)，如圖8所示。

這種通用的多電平拓撲的應用還包括開關電容DC-DC 變換器和倍壓電路;此外，結合其他電路的使用還可實現(xiàn)雙向的DC-DC 變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來實現(xiàn)多電平變頻器。

1.2.4 層疊式多單元結構(SMC)

SMC結構如圖9所示，這種結構也能實現(xiàn)高壓、多電平輸出[12][13]。這種結構相比一般電容箝位型結構有一定的優(yōu)勢，可以使用更少個數(shù)和更小體積的電容，減少了裝置的體積，尤其在大于三電平以上高壓輸出的應用中。

SMC拓撲結構是基于跨接電容和開關組成的基本換流單元的一個混合結構。圖10為兩層疊兩單元變換器的結構。這種結構相當于把兩個電容箝位型單元疊加起來，圖中S21a、S21b和S21為互補開關，不能同時開通，同樣其他開關也有類似的互補開關對。上層和下層采用類似電容箝位型的開關方法，就可以實現(xiàn)多電平的輸出。

但是，這個結構也有一些缺點：為了滿足最底層和頂層一方開通時的耐壓要求，拓撲中外側功率開關都是兩管直接串聯(lián)，帶來了開通和關斷同步問題，而且由于不是總工作在上述的兩個狀態(tài)，從另一個角度說，浪費了功率器件的耐壓容量，而且當需要進一步升壓，層疊數(shù)超過兩層時，開關數(shù)量會大大增加，電容也會增多;同時，這類拓撲的控制方法也比較復雜，其優(yōu)越性也不明顯。

1.2.5 帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器

對于帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可，如圖11所示。其特點是：

1)直流側采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題，無須二極管或電容箝位，易于進行調速控制;

2)因每個H 橋都采用單相控制，直流電容在任一時刻都有交流電流通過，因此需要用較大容量的直流電容;

3)控制方法相對簡單，因每一級結構的相同性，可分別對每一級進行PWM 控制，然后進行波形重組;

4)對相同電平數(shù)而言，串聯(lián)型結構所需器件數(shù)目最少;

5)一般二極管箝位式、電容懸浮式限于7或9電平，串聯(lián)型結構因無二極管和電容的限制，電平數(shù)可較大，適合更高電壓，諧波含量更少;

6)由于每一級逆變橋構造相同，給模塊化設計和制造帶來方便，且裝配簡單，系統(tǒng)可靠性高。另外，某一級逆變橋出現(xiàn)故障時，就被旁路掉，剩余模塊可不間斷供電，以盡量減少生產(chǎn)損失。

因這種結構較容易采用低壓的功率開關器件，實現(xiàn)多級電壓串聯(lián)，獲得高電壓、大容量，因此具有較大的實用性。當然，這種結構的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應用受到一定限制。

目前，國際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經(jīng)具有同類的產(chǎn)品，可以用在大容量電機調速、無功補償?shù)纫恍┬袠I(yè)。國內也有產(chǎn)品問世，可用于拖動風機、水泵等調速系統(tǒng)中。

1.2.6 三相逆變器串聯(lián)式結構

1999年E.Cengelci 等人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻結構。其主要思想是用變壓器將三個由IGBT或IGCT構成的常規(guī)逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高壓的輸出，并且這三個常規(guī)逆變器可采用同一種控制方式，電路結構和控制方法都大大簡化。其拓撲如圖12所示。

這種三相逆變器串聯(lián)式逆變器結構的優(yōu)點是：

1)以三個常規(guī)的逆變器為核心構成高壓變頻器，每個逆變器可采用常規(guī)PWM調制方法;

2)三個常規(guī)的逆變器平衡運行，各分擔總輸出功率的1/3;

3)整個變頻器輸出可等效為7 電平PWM，諧波小且dv/dt低;

4)輸出變壓器的容量只需總容量的1/3;

5)18脈沖輸入，網(wǎng)側無諧波且功率因數(shù)高。

由于三相逆變器串聯(lián)式結構的三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，三個逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律，但是相當于兩電平的高壓變頻器，dv/dt 太大。因此可以采用將三個逆變器的PWM 信號相互錯開1/3周期的辦法，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，相位互差120°，相當于一個線電壓為7電平的高頻變壓器。電機線電壓PWM波形與變壓器繞組如圖13、圖14所示。

綜上所述，二極管箝位式和電容箝位式由于存在均壓問題，比較適合應用于無功調節(jié)，而在有功傳遞，如電機調速方面控制較難，需要實施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統(tǒng)不需要大量的變壓器，結構緊湊，功率因數(shù)高，無電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實現(xiàn)的領域上引起了廣泛的關注和應用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯(lián)型結構以較低耐壓器件實現(xiàn)高壓大容量，由于電平數(shù)可以很多，網(wǎng)側和輸出側諧波很低，若采用四象限整流，并與現(xiàn)代電機控制理論結合，高性能四象限大容量交流電機變頻調速將成為可能，其在交流傳動領域的應用將很樂觀。三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變轉矩負載條件的運行，并且對電網(wǎng)諧波污染小，可很好地用于中壓(2 300～4 160 V)的交流

電機調速驅動系統(tǒng)。

2 PWM 控制技術

大功率逆變器電路拓撲結構不斷更新的同時，與之相應的PWM控制技術也得到了飛速的發(fā)展。各國學者不僅對傳統(tǒng)的PWM進行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。

2.1 傳統(tǒng)的PWM控制技術及其發(fā)展

傳統(tǒng)的PWM 控制技術多用于兩電平逆變器的門極驅動控制，其主要方法是依靠載波和調制波的比較，得出交點，或采用微機計算方法得到門極觸發(fā)脈沖控制信號。正弦脈寬調制SPWM，調制波為正弦波，實現(xiàn)的典型方法有自然采樣PWM，規(guī)則采樣PWM，等面積PWM 等方法。三電平電路中，若采用兩個正弦波與一個三角波比較，可得到雙向dipolar調制PWM[14]，可大大減少相間電壓的諧波。以上這些方法都可以在多電平電路中加以使用。且根據(jù)結構的不同，實現(xiàn)的方法也不同。

2.2 優(yōu)化PWM技術

近年來，優(yōu)化PWM技術得到了迅速發(fā)展。它是根據(jù)諧波含量，諧波畸變率(THD)最小，轉矩脈動最小等目標函數(shù)，尋求PWM 控制波形。最優(yōu)化PWM有一般PWM方法不具備的特殊優(yōu)點，如電壓利用率高，開關次數(shù)少及可實現(xiàn)特定優(yōu)化目標等。優(yōu)化PWM可用于多電平逆變器，而且可利用NPC逆變器的特點對每個開關器件的控制規(guī)律進行優(yōu)化以提高整體性能，降低電機損耗。

2.3 多電平逆變器與空間電壓矢量PWM

空間電壓矢量PWM 法，是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通為基準，用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由比較結果決定逆變器的開關順序，形成所需的PWM波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類似于多電平SPWM。對于三電平、五電平逆變器，開關模式容易計算，易于數(shù)字化實現(xiàn)。但隨電平數(shù)增加，開關模式的計算量劇增，而且所需內存增加很多。由于開關模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達到消除共模電壓作用，而且對于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側電容電壓的不平衡性。

隨著多電平逆變器的出現(xiàn)，空間電壓矢量SVPWM有了進一步的發(fā)展。比如對三電平中點箝位式逆變器，選取適當?shù)目臻g矢量組合和電壓矢量導通時間，可得到很逼近圓形的磁通。根據(jù)選擇矢量的不同還可以有多種SVPWM 控制方案，各種方法得到的調制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起雙電平空間矢量，其矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機能獲得更好的性能。同時，其良好的拓撲結構使系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。

三電平逆變器存在直流側的高壓，因此對器件仍有潛在的高壓威脅，可靠性受到一定的限制。另外，直流側電容電壓的均衡問題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網(wǎng)側的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術可以得到很好的結果。在某些場合(比如UPS 中)，多電平逆變器還可采用電流滯回控制PWM方法。

3 結論及展望

由于在功率器件研制及拓撲結構方面取得的突破性進展，大容量交流電機調速技術的發(fā)展呈現(xiàn)著嶄新的面貌，蘊藏著巨大的發(fā)展機遇。

傳統(tǒng)大功率逆變電路由于體積大，性能差，并對電網(wǎng)產(chǎn)生較多諧波，因此應用領域越來越多地受到限制。而新型多電平逆變器由于具有動態(tài)性能好，對電網(wǎng)和電機產(chǎn)生的諧波較少，可以升高電壓等優(yōu)點，受到越來越多的重視。當PWM技術應用于多電平逆變器時，產(chǎn)生一些改進方案，對高性能大容量逆變器的應用起了重要作用。

目前我國電動機調速技術的特點是以低壓、小容量調速對象為主，高壓、高效的變頻調速裝置以進口為主。面對節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產(chǎn)高壓大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術發(fā)展的過程中一直是按部就班進行的，形成了從功率半導體器件到整機生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機構使得他們不會馬上轉產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國是一個新興的發(fā)

展中國家，盡管在老技術方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉入最新技術的開發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗，跨過他們已經(jīng)走過的路程。

在最新領域取得研究成果的基礎上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機調速技術應用的時機業(yè)已成熟，國內只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量。