三电平拓扑并联逆变器

逆变器中提到的两电平逆变器,三电平逆变器中的电平是什么

       在逆变器中，电平概念指的是用于信号传输或能量转换的电压级别。两电平逆变器设计简洁，仅提供两种电压级别：高或低，适用于低成本应用。相比之下，三电平逆变器提供三种电压级别，通过引入电压中点，实现更精细的电压控制，如图所示。

       三电平逆变器相比两电平逆变器，在系统层面拥有显著优势：

       1. **损耗减少、开关频率提升、成本降低**：例如在NPC1拓扑中，开关器件的电压降低至原来的一半，大幅降低了器件的开关损耗。提升开关频率后，可以减小输出滤波器的体积和成本。在功率等级不变的情况下，通过提高母线电压，可以减小输出端电流，降低输出线缆成本。

       2. **器件可靠性提升**：在相同电压等级的系统中，三电平拓扑中的器件承受的阻断电压更低，从而提升了器件的可靠性。

       3. **改善电磁干扰（EMI）**：三电平逆变器在开关过程中的dv/dt显著降低，有效改善了系统的电磁干扰。

       尽管三电平逆变器存在器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均和中点电位波动等挑战，但其独特优势使得其在光伏、储能、UPS、APF等众多应用领域得到了广泛使用。下面将详细介绍常见的三电平拓扑：

       - **NPC1拓扑**：通过优化电流路径和零电平换流机制，实现了损耗分布的优化和EMI的改善。在逆变工况中，NPC1的损耗主要集中在T1/T4管，而在整流工况中，主要损耗集中在T2/T3管和D5/D6管。仿真结果显示，在高频系统中，NPC1拓扑效率更优。

       - **NPC2拓扑**：相较于NPC1，NPC2减少了二极管的数量，采用共射极或共集电极的IGBT和反并联二极管取代钳位二极管，从而降低了损耗，提高了中低开关频率下的系统效率。仿真表明，当电流等级和耐压相同，NPC2拓扑在中低开关频率下的总损耗低于NPC1拓扑。

       - **ANPC拓扑**：通过替换钳位二极管为IGBT和反并联二极管，ANPC拓扑进一步优化了损耗分布，通过选择不同的零电平换流路径，实现了更均衡的损耗控制。ANPC的调制算法（ANPC-1、ANPC-2和ANPC-1-00）分别针对不同的损耗特性进行了优化。

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为什么三电平逆变器的谐波含量比两电平逆变器的少

       英飞凌工程师解释了三电平逆变器相较于两电平逆变器在谐波含量较少的原因，通过分析逆变器的拓扑结构、工作原理以及损耗分布，揭示了三电平逆变器在输出波形质量、系统效率和器件可靠性方面的优势。

       三电平逆变器输出的电压波形更加接近正弦波，具有更低的总谐波失真（THD），这是由于其额外的零电平通路，使得相电压可输出三个电平，从而减少了谐波成分。在损耗方面，三电平逆变器通过降低器件的阻断电压，提高了系统成本效率，尤其是在高频工况下，三电平逆变器的效率更优。

       通过分析不同三电平拓扑结构（如NPC1、NPC2和ANPC）的工作模态和损耗分布，可以看到三电平逆变器的损耗主要集中在高压器件上，但每个器件承受的电压减少，从而降低了开关损耗。此外，三电平逆变器还能够改善电磁干扰（EMI），由于器件的dv/dt大幅降低，系统EMI得到改善。

       尽管三电平拓扑存在一些劣势，如器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均衡和中点电位波动等问题，但其独特的优势在光伏、储能、UPS、APF等众多应用场合中得以广泛使用。通过优化调制策略和损耗分布，三电平逆变器的性能得到了进一步提升。

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双向PCS储能变流器（一）基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

       在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

       PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

       双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

       不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

       （1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

       （2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

       下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

       三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

       电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

       0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

       基于I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器的双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，实现了DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能，具备中点电位平衡功能，上电容电压与下电容电压稳态偏差在±5V以内，同时具有较低的电流畸变率，电流THD<1%。

新能源商用车高压化面临的机遇与挑战：三电平逆变技术

       新能源商用车高压化的需求推动了三电平逆变技术的发展，相比传统两电平结构，三电平逆变器具有功率器件电压应力及损耗低、输出波形质量好、效率高等优势。

       借助三电平拓扑在光伏发电并网中的广泛应用经验，该技术在新能源商用车领域展现出巨大潜力。

       在主电路拓扑方面，两电平主电路拓扑通过简单的正负两种电平输出实现功率转换，而三电平主电路拓扑通过增加一个零电平输出，使得输出波形更接近于正弦波，提高了转换效率和输出质量。

       在调制方法上，三电平SVPWM进一步细化了扇区分布，调制效率得到提升，输出波形更接近正弦，纹波含量更少，这为提高电机驱动性能和降低系统损耗提供了基础。

       三电平逆变器的输出波形对比显示，相比两电平电路，三电平输出的PWM波形更接近正弦波，纹波含量更少，波形质量显著提升，这对于提升系统效率和稳定性至关重要。

       在两电平逆变电路中，纹波电流会导致输出电流质量降低，而三电平逆变电路通过减少输出电平之间的电压差，降低了纹波电流，有效改善了输出波形的质量。

       三电平逆变器的优势在于，通过多个电平合成阶梯波以逼近正弦输出电压，输出的PWM波形更接近于正弦，且谐波含量少，电压变化率小，输出容量大。

       三电平逆变器在高压大容量应用场合中具有突出优势，每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，这使得三电平逆变器适合于高压大容量应用。

       总结而言，三电平逆变技术在损耗计算、输出谐波、器件耐压、以及降低开关频率等方面展现出显著优势，为新能源商用车高压化提供了有力的技术支撑。

光伏漫谈4- 逆变器拓扑结构

       光伏逆变器作为光伏发电核心设备，其设计与应用根据不同功率需求与场景，采用的电路拓扑结构存在显著差异。主要拓扑结构包括工频隔离、高频隔离、非隔离以及特殊的组串式逆变器NPC拓扑等。

       工频隔离逆变器采用工频50Hz变压器实现功率传输，结构相对简单，由整流桥、滤波和工频变压器组成，但受限于体积较大的变压器，实际应用中较少使用。

       高频隔离逆变器在微型逆变器中较为常见，为了保障人体安全，需要在交流与直流侧隔离。此拓扑结构采用高频隔离，可显著减小体积。三种常用拓扑结构包括昱能的250W微型逆变器、禾迈MI-700的交错反激拓扑以及不含直流母线串联谐振的拓扑。前两种拓扑在高压电容使用、控制复杂度和效率上有所差异，后者则无需高压电容，但需要增加低压大电容，控制简单，适合小功率应用。

       非隔离逆变器通过直接将光伏输入升压至工频信号，进而实现组串式逆变，相比隔离型，此类逆变器效率更高、成本更低，但存在零点偏移、直流分量等问题。为解决此类问题，可以采用交流或直流旁路方式隔断DC分量。专利H5技术通过5个开关管实现了直流旁路逆变器，通过交替控制实现完整的正弦输出。

       组串式逆变器中，NPC三电平逆变器因其效率高、谐波小而广受青睐。I型NPC结构正负半周期由不同的IGBT承担开关损耗，ANPC结构则通过在每个IGBT旁并联IGBT来平衡内（Q2和Q3）外（Q1和前）管之间的损耗。T型三电平拓扑则通过减少开关损耗，提高效率，但需要IGBT耐压达到母线电压的两倍，适用于低压系统或高压功率管应用。

       随着功率器件特性和耐压的提升，某些拓扑结构的竞争力增强。同时，学术研究的深入与功率器件的变化将催生更多逆变器拓扑，进一步提升应用效率，降低体积和成本。技术发展将持续推动逆变器拓扑的创新与优化。

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