三电平逆变器的优缺点

多电平逆变电路有哪三种形式，各特点是什么？

       多电平逆变电路通常指的是基于PWM调制技术的多级逆变电路，它可以将直流电源转换为多种不同的交流电压等级。根据电路的拓扑结构和输出电压波形特性，多电平逆变电路主要有以下三种形式：

       三电平逆变电路（Three-level inverter）

       三电平逆变电路是最简单的多电平逆变电路，它由两个半桥逆变器级联组成。输出电压可以是三种不同电平：-Vdc、0和+Vdc。这种结构的优点是实现简单、效率高，缺点是输出电压的级数有限，对于需要高精度输出的应用场合不太适用。

       五电平逆变电路（Five-level inverter）

       五电平逆变电路是一种常见的多电平逆变电路，它由三个半桥逆变器级联组成。输出电压可以是五种不同电平：-2Vdc、-Vdc、0、+Vdc和+2Vdc。这种结构的优点是输出电压精度高，可以适用于多种电力电子应用，缺点是实现稍微复杂一些。

       七电平逆变电路（Seven-level inverter）

       七电平逆变电路是最复杂的多电平逆变电路，它由四个半桥逆变器级联组成。输出电压可以是七种不同电平：-3Vdc、-2Vdc、-Vdc、0、+Vdc、+2Vdc和+3Vdc。这种结构的优点是输出电压精度更高、谐波更少，缺点是实现更加复杂，控制难度更大。

       总之，多电平逆变电路具有输出电压精度高、输出波形谐波少等优点，但同时也会增加电路的复杂性和控制难度。应根据具体应用需求选择合适的多电平逆变电路拓扑结构。

三电平电路的发展趋势

       近几年来，多电平逆变器成为人们研究的热点课题。三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最实用的一种电路。三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比较主要优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波和降低开关频率，从而使系统损耗减小，使低压开关器件可以应用更广泛。　　随着 新型电力电子器件及DSP 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显身手。IGCT 和高压IGBT等新型器件近来的发展使PWM逆变器在工业及牵引应用中成本降低的同时性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电GTO逆变器正逐渐被使用IGCT及IGBT的两电平或三电平PWM逆变器所取代，随着减少电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。

什么是单相三电平逆变器

       单相电即一根相线(俗称火线)和一根零线构成的电能输送形式，必要时会有第三根线(地线)。

       三电平逆变器主要的特点是由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形,这样在相同开关频率条件下,与传统的二电平逆变器相比,谐波含量大为减少.利用MATLAB/Simulink工具可以方便、直观地实现这些算法步骤,并可在此基础上对SVPWM控制算法和三电平逆变器的特性进行深入的研究。

有源电力滤波器的三电平

       二极管箝位三电平拓扑由日本学者Nabae. A 等人在1980 年提出，经过近30年的发展，广泛应用于电力电子技术的各个领域。二极管箝位三电平拓扑的优势在于，各个开关管承受的反向电压为直流母线电压的一半，可以用较低电压等级的开关管，组成较高电压等级的变流器。已经广泛应用于4.2kV电动机传动系统。通常三电平技术一般应用于电压较高、功率较大的系统中，正是由功率器件耐压有限与变流器系统需求电压较高的矛盾现实决定的。但是我们应该看到二极管箝位三电平拓扑本身固有的一些优势。 （1） 用电压等级较低的开关管构成电压等级较高的变流器，随着功率器件技术的不断发展，市场上已经有6500V的IGBT出售，但是耐压越高的IGBT其开关损耗越高，最高开关频率也变得比较低。3300V以上的IGBT开关频率最高不会超过5kHz,1200V的IGBT的开关损耗远大于600V的IGBT。采用低压IGBT的三电平变流器的开关损耗远低于同样电压等级采用高压IGBT的两电平变流器，同时前者可以达到的开关频率也高于后者。

       （2） 能够输出三种电平。二极管箝位三电平变流器能够输出正母线电压、负母线电压以及零电压（简称P、N、O）,一般情况下输出电压在P-O、O-N之间跳变，特殊情况下会出现P-N跳变，而两电平变流器只能在P-N之间跳变。也就是说三电平的电压跳变幅度为直流母线电压的一半，而两电平的为直流母线电压。高的电压跳变幅度对并网逆变器或有源电力滤波器带来的是较高的纹波电流，为了抑制纹波电流，需要较大的输出电感和滤波电容，由此带来了较高的纹波电流损耗。同时由于输出滤波电感电容也降低了电流响应速度，或对输出电流的能力产生了一定的限制。对于变频器带来的则是对电机的冲击以及较大的轴电流，严重影响着电机的寿命。另外，较高的电压跳变幅度也会产生严重的电磁干扰，对周边电子设备产生严重危害。而三电平以其固有的优势，在很大程度上解决了上述问题。

       随着技术的不断发展，三电平技术被越来越多的人所重视，同时也将其从中压大功率领域，引入到400V的低压小功率应用之中，各个国际知名功率器件厂家推出了大量适应于400V系统应用的集成二极管箝位三电平功率模块，并有逐渐取代传统两电平变流器的趋势。应用于400V领域的成功的三电平产品如下：

       （1）2008年日本安川电机推出了Varispeed G7系列通用矢量变频器，其400V产品采用三菱的三电平功率模块，并在应用中取得了巨大成功。

       （2）2009年德州和能工业自动化有限公司在自主开发的三电平变流器控制技术的基础上，推出了HEINV系列三电平光伏并网逆变器，前端采用对称BOOST进行最大功率点跟踪，逆变器采用二极管箝位三电平拓扑，两者相互配合，采用Semikron的三电平功率模块，各项指标均优于同类两电平产品。

       （3）2006年上海交通大学与上海信元瑞电气有限公司（当时的上海飞平电子有限公司）合作推出了国内唯一一个以能量算法为基础的有源电力滤波器（APF）NEWSINE系列产品，大大的提高了系统的稳定性，随着此后该产品在我国137个大型项目中的实际应用情况反馈，证明和标志了中国FACTS技术已经达到了国际领先水平。 将二极管箝位三电平技术应用于有源电力滤波器领域，国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因，有可能是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也可能是企业界对此不够重视，尚未认识到该技术的优势。德州和能工业自动化有限公司通过对三电平技术的深入研究以及对市场趋势的正确把握，在业界首先推出了三电平有源电力滤波器产品。

       三电平有源电力滤波器与传统两电平有源电力滤波器相比有以下优势： SPA3系列有源电力滤波器

       性能描述

       可同时滤除2次到60次谐波

       40μs内响应负荷变化，全响应时间小于10ms(1/2周波)

       单相动态补偿，不受系统不平衡的影响

       3.8 英寸QVGA显示屏，

       MODBUS 通讯接口有源电力滤波器

       采用速度高达20KHz的IGBT，完美消除谐波

       并联安装方式，安装简单、方便，易于扩展，最多可10台并联

       优势

       SPA3是谐波治理的完美解决方案

       动态电流补偿消除谐波和提高功率因数

       减少谐波在电缆、开关、变压器中的发热

       减少谐波引起的停电故障和时间

       提高电源利用率减少运营成本

       应用范围

       SPA3适用于工业负载场合

       SPA4系列有源电力滤波器

       性能描述

       有效消除因零序谐波产生的中性线电流

       可以同时滤除2～25次范围内的全部或选定次数的谐波

       单相动态补偿，不受系统不平衡的影响

       并联安装方式，安装简单、方便，易于扩展，最多可4台并联

       设计选型简单，不需要进行详细的电网分析，只需测量谐波电流的大小

       体积轻巧，可壁挂安装

       标准的通讯接口，方便的接入用户现有的通讯系统

       优势

       SPA4系列是谐波治理的完美解决方案

       动态电流补偿消除谐波和提高功率因数

       减少谐波在电缆、开关、变压器中的发热

       减少谐波引起的停电故障和时间

       提高电源利用率减少运营成本

       应用范围

       三相四线适用于商业建筑负载场合 （1）低纹波电流，高电流响应速度

       纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。逆变器采用脉冲宽度调制，根据电工的基本原理，纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。开关频率越高纹波电流越小、直流母线电压越高，纹波电流越大；输出电感越大，纹波电流越小。而逆变器期望的输出电流是由电流环所控制。有源电力滤波器输出谐波电流，如果按基波50Hz，补偿50次谐波计算，最高谐波频率将达到2.5kHz。有源电力滤波器对电流响应速度有很高的要求。电流响应速度与直流母线电压和输出电感大小有关。直流母线电压越高，电流响应越快；输出电感越大，电流响应越慢。我们期望输出纹波电流越小越好，电流响应速度越快越好，这是一对矛盾。从上述分析可以看出，两电平有源电力滤波器解决这个矛盾的办法只能是提高开关。在某些厂家的两电平有源电力滤波器产品的开关频率已经达到20kHz。但是，开关频率的提高带来的是更高的开关损耗以及驱动损耗，有源电力滤波器的单机容量会受到限制，而对于更高电压等级的有源电力滤波器，高压的IGBT根本就不允许那么高的开关频率。然而，三电平有源电力滤波器从原理上就是一个解决上述问题的方案。三电平逆变器可以输出正、负、零三种电压，在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算。由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，三电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感的减半，将加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。

       （2）提高系统耐压，应用于较高电压系统

       通常国内低压电网为400V，但是对于某些行业，其低压电网会比较高，例如石油钻机传动采用的是600V，矿山用电可能是690V或1140V，而某些行业的电压等级可能更加多样，但一般都是500V以上。如何解决这些行业谐波治理需求，是一个问题。通常为了提高电流响应速度、保证补偿效果，处理谐波的有源电力滤波器比处理基波的变频器或并网逆变器需要更高的直流母线电压。通常两电平逆变器的直流母线电压是交流电网电压有效值的2倍。对于380V应用，直流母线电压一般在700V～750V，而对于600V，直流母线电压需要达到1200V。很多企业的做法是加一个变压器，将其他等级的电压变为400V。通过谐波的变压器是经过特殊设计的，价格比较高，体积也比较大，变压的损耗也会比较大。而采用三电平技术，可以用耐压较低的管子组成耐压较高的变流器系统，可以直接连接到电压较高的电网上，同时保证较好滤波效果和单机容量。

单相一字型三电平逆变电路的工作原理

       1、三电平逆变器主电路现在采用的是比较实用的二极管中点嵌位电路,通过一对中点箱位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相联,将功率开关器件GIBTQ:~Ql:分别串联,二极管D:~D.用于嵌位电平,C:,C:均衡直流侧电压(C=IC:),并按一定的开关顺序逻辑控制产生三种相电压电平E二/2、O、一E二/2,在输出端合成正弦波。相比原来两电平电路优点显著:每个开关器件承受的电压值相当与原来直流电压的一半,波形质量得到了改普。

        2、根据三电平逆变器的定义,这种逆变器结构的输出为三个电平或者说是三个状态,即(一E/2、0、+E/2),用符号相应地表示为(N、0、P)。因此,对于三相电压型逆变器一共就存在着27种输出状态。在图3.1所示的三电平逆变器主回路结构中,a、b、c三相均由四个开关共同组合构成,每一相的输出状态也就是由这四个开关的不同状态组合决定的。

NPC型三电平是什么意思

       NPC型三电平是一种电力电子变换器拓扑结构，适用于高电压、大功率的交流驱动和逆变应用。其中“NPC”代表中点直流耦合，意为将三相交流电源分别于电容电压分压向中心点。相比于传统的两电平逆变器，NPC型三电平具有更低的谐波失真、更高的效率和更低的 EMI 散射等显著优势。

       由于其高电压、大功率的优势，NPC型三电平被广泛应用于重工业（特别是钢铁、水泥、矿山等行业）中的电机驱动与系统电源。此外，在新能源领域，包括风力发电、太阳能电池逆变器和电动汽车充电器等领域也有重要的应用。

       随着电动汽车和新能源的迅速发展，NPC型三电平的市场需求也在不断增长。未来几年，该技术将继续向更广泛的应用领域发展，例如船舶、高速列车、海上风力发电和光伏电站等。同时，新的制造工艺、新的拓扑框架和新的电路控制方法将继续改进NPC型三电平的性能，使其更加适用于各种应用场景。

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