0 引言

能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。上世纪70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要，在能源十分紧张的情况下，却因为在节能方面的巨大差距，造成单位产值能耗太大，每年的能源浪费惊人。如相当一部分的风机、水泵类负载，由于采取恒速驱动，浪费掉大量的电能。这类拖动系统约占工业电力拖动总量的一半，如果采用调速节能技术则至少可节约20%以上的电能。我国“十一五”规划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能工作的重点则放在推行量大面广的节能技术上。其中一项重要措施就是要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子节电技术，只有这样才能以较低的能源消费弹性系数和较大的节能量来长期支持国民经济快速、健康、持续的发展。

此外，大量的煤炭、石油没有经过深加工就被烧掉，不但热利用率低，还造成对环境的严重污染。目前，汽车废气排放过度已造成全球性的温室效应，也是造成北京地区空气污染的主要原因之一。解决城市环境污染和交通拥挤的重要途径是发展高速公共交通工具(地铁，城市轻轨)及电动汽车，高速电气化列车则是实现城际快速交通的首选，其核心技术都是上世纪80 年代以来和微电子技术并驾齐驱飞速发展起来的一门新技术———现代电力电子及交流电机传动技术。此外，在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等工业和民用领域中也应广泛使用大中容量交流电机调速系统。此时，交流调速系统的应用不但可达到节能的目的，还可实现整个系统的性能最佳，改善工艺条件，并大大提高生产效率和产品质量。

从目前掌握的资料和市场上提供的大容量调速产品可以看到，目前每年世界范围内的交流电机调速系统的硬件，软件和外围设备的总销售额是48.5亿美元。其中欧洲、中东和非洲总共占39%，日本占27%，北美占21%，亚洲12%，最后是拉丁美洲的1%。从系统功率的销售分布看，小功率的调速系统仍然支配着市场，1~4 kW 的调速系统占了总销售额的21%，5~40 kW系统则占总销售额的26%。但是随着以IGBT、IGCT为代表的新型复合器件耐压、电流和开关性能的迅速提高，大容量交流电机调速技术必将获得飞速的发展和长足的进步，其市场前景

十分鼓舞人心。

国外在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用上远远走在我们前面，已有MV·A级的高压逆变器产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、轧钢、造纸及供水等系统中，交流电机变频调速技术及其产品已成为一些工业发达国家的先导产业。目前我国大、中容量交流调速系统的研制工作起步较晚，很多必需的场合均为国外产品所占领。

因此，研制性能可靠，价格便宜的大、中容量高性能交流电机变频调速系统，并尽快投入批量生产，对促进国民经济发展，实现经济增长方式转变，降低单位

产值能耗，打破西方国家在此领域的垄断地位，都将具有重要的战略和现实意义。

1 大容量交流电机调速技术发展现状

20世纪80年代以来，现代电力电子技术开始向高频、高效(低开关损耗)、高功率因数、高功率密度(组合集成化)及高压大功率方向迅速发展。以GTO、JT、MOSFET 为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以IGBT 为代表的双极型复合器件的惊人发展，使得电力电子器件正沿着大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向前进。伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率逆变器及交流调速技术的发展也日趋高性能化。

1.1 传统大功率逆变电路

传统的大功率交流电机调速系统采用的变换器主要有：

1)普通交-直-交三相逆变器;

2)降压-普通变频器-升压;

3)交- 交变频器;

4)变压器耦合的多脉冲逆变器。

以上的大功率变换电路研究比较成熟，但在实现大功率交流传动的同时，在性能上没有什么突破，且装置复杂，制作成本高，控制方式可靠性低，并且对电网污染严重，功率因数低，无功损耗大，须附加谐波治理装置，设备成本成倍增加。因此近十几年来，一些新型高压大功率逆变器，尤其是电压型多电平变换器拓扑引起了许多学者的注意。

1.2 新型多电平电压型逆变器

日本长冈科技大学的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式(NPC)逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上，经过多年的研究，发展出几种主要的多电平变换器拓扑结构，主要分两种[1][2][3]：第一种为单一直流电源的箝位型变换器拓扑，包括二极管箝位型(DiodeClamped)，电容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基础上发展出的通用型拓扑，还有层叠式多单元拓扑(Stacked Multi-cell);第二种为独立直流电源的级联型拓扑(Cascaded Inverter with Separated DCSource)。现有的多电平变换器分类如图1所示。

根据直流电压源的性质和串联方式不同，上述两种拓扑可以用两个电路模型表示：单一直流电源直接串联分压模型和多个电气独立的直流电源串联模型，分别如图2 和图3 所示。在图2中，多电平变换电路可以等效为虚线中的多路开关，现实中是由功率开关器件网络构成的，不同的开关状态即代表接到不同的节点。图3 中作为直流电源的VDC1……

VDCn经过变换电路的不同开关状态，可以在输出端组合出多种电平值。

多电平变换器拓扑结构与普通两电平逆变器相比具有以下优点：

1)更适合大容量、高压的场合;

2)可产生M层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形，谐波含量很小;

3)电磁干扰(EMI)问题大大减轻，因为开关器件一次动作的dv/dt 通常只有传统双电平的1/(M-1);

4)效率高。消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大;而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小，效率提高。

除上述共同特点外，几种拓扑结构各有优缺点，

现比较如下。

1.2.1 二极管箝位的多电平逆变器

二极管箝位式多电平结构是出现较早，应用场合较多的一种结构。这种结构的特点是采用多个二极管对相应开关器件进行箝位，输出相应M电平的相电压。二极管箝位式拓扑具有多电平逆变器共同的优点，但存在自身不足：

1)箝位二极管承受的电压不均匀;

2)器件所需额定电流不同，按最大额定设计将造成(M-1)(M-2)/2 的开关器件容量上有所浪费，利用效率低;

3)直流侧电容由于一个周期内的流入和流出的电流可能不相等，造成不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象;

4)当进行有功传递时，如不附加恒压装置，必将导致M 电平逐渐变为三电平(M 为奇数)或两电平(M为偶数)。解决的办法通常可用PWM电压调节器

或电池来代替电容，但这样又将导致系统复杂，使成本升高。

为解决以上问题，在传统的二极管箝位式多电平结构上出现了几种改进型结构。在两个相邻箝位二极管两端加上箝位电容的改进拓扑结构不但解决了二极管串联问题，而且所加电容对开关器件关断时的过压进行箝位。由于所加电容充放电的作用，减小了直流侧电容电压的不平衡性，且能实现电流的双向流动。另一种是将两个相同变换器背对背使用的改进结构，左边作为整流器，右边作为逆变器，把直流侧电容相应节点进行连接，可较好地平衡电容电压。

1.2.2 电容箝位的多电平逆变器

电容箝位的多电平逆变器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年会上提出，最初目的是减少NPC 多电平逆变器中过多的箝位二极管，即采用悬浮电容器来代替箝位二极管工作，直流侧的电容不变。其工作原理与二极管箝位电路相似。对比二极管箝位多电平逆变器，这种拓扑结构虽省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。对高压大容量系统而言，电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。

电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性，通过在同一电平上进行合适的不同开关状态的组合，使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统，但控制方法变得较为复杂，而且开关频率将增高，开关损耗加大，效率随之降低。

为保持电容电压的平衡，Meynard提出了一种采用背对背的变换器结构来调整电容充放电的平衡，并采用成一定比例的开关模式来同时控制整流桥和逆变桥，使得流向电容的功率和从电容流出的功率相同。通过对电容电压进行检测，如果出现不平衡，可以适当改变整流桥的控制。其缺点是，引入了大量的悬浮电容，而且存在着电容电压平衡的问题，目前法国ALSTOM公司已开发出此类产品。

1.2.3 电压自平衡式多电平变频器拓扑

2000年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构，传统的二极管箝位式和电容箝位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来。

高压大容量多电平电路的一个技术难点就是中点电压的控制问题。对于三电平及以上电平数的拓扑，如果中点电压控制的不好，是不能有效地应用于大容量的电能变换场合的。对于以上几种拓扑结构，电压高于三电平时，或者是需要隔离的直流电源，或者是需要增加一个复杂的电路结构来帮助维持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功能，对于各种逆变器控制策略和负载情况，都能有效地控制中点电压。

图4即为这种新型的自平衡多电平结构单相的拓扑，它是由基本的两电平单元组成的。因为基本的单元是一个两电平的单相电路(a two-level phaseleg)，所以由它组成的多电平结构又叫做P2多级逆变器。

这种可电压自平衡的P2多电平拓扑的特点是：

1)系统的电能损耗反比于电容量和开关频率，提高开关频率和加入一些特定的开关状态可以大大减小损耗，提高系统效率;

2)相比一般的二极管箝位和电容箝位式拓扑，该系统各级的中点电压都能得到很好的控制;

3)对一个M级电平的P2逆变器系统，所需的开关器件/ 二极管数目为M(M-1)，需要的电容器数量为M(M-1)/2;

4)计算简单，器件应力可达到最小化。

对图4的系统进行简化和变形，可以得到传统的二极管箝位和电容箝位式多电平拓扑，以及一些其他的改进拓扑。去掉图4所有的箝位开关，可以得到二极管-电容箝位的多电平系统，如图5 所示;而去掉箝位开关和二极管，则得到电容箝位式的多电平系统，如图6 所示;去掉箝位开关和电容，可得到二极管箝位式拓扑，如图7所示;再对调二极管的连接，可得到一种改进的背对背的二极管箝位式系统，如图8所示。

这种通用的多电平拓扑的应用还包括开关电容DC-DC 变换器和倍压电路;此外，结合其他电路的使用还可实现双向的DC-DC 变换。也可以用三电平单元代替两电平单元来实现多电平变频器。