隨著能源需求的持續增長，電流在傳輸和利用過程中出現了許多問題。特別是，智能電網的增長和可再生能源的使用對電能的“質量”提出了更高的要求，例如減少諧波和在電網中平衡有功與無功功率的能力，因此需要使用靜態無功補償器(STATCOM)。簡單來說，它們由電力電子設備組成，動態提供無功功率支持，在負載或發電波動期間幫助穩定電壓水平。通常，它們位于高電壓側(從30 kV到150 kV及以上)，由背靠背連接的受控整流器和逆變器組成，采用直流母線連接。

在處理高電壓時，由于電子開關的限制傳統橋式整流器和兩電平逆變器并不適用。在幾十年前，僅使用同步旋轉機械。然而，基于“多電平轉換器”原理的新型切換轉換器拓撲被開發出來。在這種拓撲中，交流電壓由多個小電壓源之和生成(實際上是通過電容器實現的，無論它們在拓撲中如何連接)。由于在三相系統中用于AC/DC轉換和DC/AC轉換的拓撲相同，只是切換模式不同以管理能量流向的不同，我們可以更普遍地稱之為“轉換器”而不是逆變器或整流器。

成本的降低以及材料技術的改進(如碳化硅/氮化鎵IGBT和MOSFET)使這些轉換器對大約1 kV電壓的應用也變得有吸引力，例如用于電動車(EV)的牽引系統(實際上為800 V)或電池充電器。

直觀地說，串聯更多的開關可以降低每個器件上的電壓應力，并通過多個電壓階梯的合成減少諧波，但也需要考慮電路和控制復雜性增加帶來的挑戰。

為了理解這一概念，我們將研究一種多電平轉換器，重點關注其首批實現的拓撲之一(也可能是目前成本效益較高且電壓不太高應用中仍然主要使用的一種)：中性點鉗位多電平逆變器(NPCMLI)。為了簡化，以下內容中僅討論逆變器模式，而無需研究如何實現整流控制。

中性點鉗位多電平逆變器的工作原理

我們來看一個連接到直流母線電壓Vdc?的逆變器典型支路。在圖1中，展示了通過一系列電容器生成多電平電壓的理論原理，通過提供訪問每個電容器端子的連接點(稱為節點)。串聯電容器既作為逆變器的能量存儲系統，也提供了多個連接的節點。不同的拓撲可以用于將這些節點連接到輸出，每種方法都有其優缺點。

每個電容器兩端的電壓滿足以下公式：

其中，n表示電平數，或者說是逆變器相對于直流母線可用的節點數。因此，一個設計為n電平的逆變器通常需要1n?1個電容器。

NPCMLI通過串聯半導體開關，并使用鉗位二極管將所需節點連接至輸出來生成多電平電壓波形。如圖2所示，這是一個5電平NPCMLI的典型支路。

電路中不同參數的關系如下：

· 電容器數：n=m?1

· 開關數：l=2(m?1)

· 鉗位二極管數：j=(m?1)(m?2)

可見，隨著電平數的增加，電路的復雜性(包括開關和二極管數量)迅速增加。對于高電平數的場景，已經開發出了其他拓撲。

三電平NPCMLI分析

接下來我們將分析一個三電平NPCMLI，既是為了簡化問題，也是因為它相較于兩電平逆變器是首個顯著改進。

圖3展示了一個包含控制電路的三電平NPCMLI示意圖。

通過查看其中的開關切換模式，我們可以了解如何生成多電平輸出電壓。假設從下到上命名四個開關為S1?至S4?。通過打開其中兩對開關，并利用二極管，可以將相位端連接到所需的節點，如圖4所示(紅色路徑表示電流流向)。

以下表格總結了基于開關狀態的相電壓合成過程。需要注意的是，每次輸出電壓變化時，僅有兩個開關狀態改變。

PWM調制與仿真

與兩電平逆變器類似，為了在負載上生成正弦波電壓，可以使用PWM(脈寬調制)技術。在載波信號的每個周期內，通過調制信號的平均值獲得與目標正弦波值成比例的電壓。

為了實現這一目標，可以通過多種方法完成。最簡單的一種方法是使用多個載波，每個電壓區間對應一個載波。例如，對于一個三電平轉換器，需使用兩個三角波載波：一個從0到?，另一個從?到1。調制信號為帶有?偏置的正弦波，其幅值為ma?(調制指數)。通過比較正弦波與這兩個載波，并結合查找表，可以確定各個開關的門極信號。

通過使用PLECS(一種由PLEXIM開發的電力電子系統仿真平臺)，可以得到相電壓和線電壓的仿真結果。如預期所示，三電平PWM調制的相電壓在正弦波的一半周期內于0和Vdc?/2之間變化，另一半周期在Vdc?/2和Vdc?之間變化(見圖5)。

優勢與挑戰

與傳統兩電平逆變器相比，三電平逆變器的線電壓波形更接近正弦波。這表明，即使沒有嚴格的數學證明，這種系統的諧波含量確實減少了。通過增加電壓電平數，可以實現對正弦波的更精確逼近，從而簡化線性濾波器的設計，因為需要抑制的諧波更少。

此外，使用更多電壓電平的另一個優勢是，每個開關承受的電壓低于總電壓。因此，開關時的dV/dt降低，不僅減少了開關應力，還降低了開關損耗和電磁干擾(EMI)。

盡管有這些優點，但也存在一些挑戰。隨著電平數的增加，電路的復雜性和組件成本顯著提高。此外，復雜的控制策略可能會進一步增加系統設計和實施的難度。

結論

多電平轉換器并非技術新貴，但研究人員和工程師仍在探索新的配置和控制策略，以提高其性能和適應性。隨著材料和半導體技術的發展，我們可以期待更高效和更緊湊的設計，用于電動車或工業驅動等新型應用。然而，其復雜性和成本可能限制其在預算有限或簡單應用中的使用。