文献综述
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课题背景
当前，将电能转变为机械能的交流电机耗费了我国发电量的50％--60％，这些电机拖动的绝大多数都是满速运行的风机泵类负载，其中额定电压大多为高压(3～lOkv)且 容量在315kw以上的电机占电机总装机容量40％'--50％n1。由于在变化的负载工况时， 这部分电机控制压力和流量只能通过挡风板、阀门的调节来实现，缺少经济可靠的调 速手段，导致在阀门和挡风板上损失大量的电能。同时，大功率调速设备如电力机车、 轧钢机械等的应用随着工业的不断发展越来越多，而且要求更高的对转速在静动态方 面控制的技术。因此，为改造相关工矿企业的生产机械，实现节约能源，降低能耗， 提高生产效率的目的，有必要进行高压大容量变频调速技术的研究。
高压大容量变频器存在很大的市场。今后15年内，据国家发改委预计，我国用于 变频器的需求上的投资额在500亿元以上，其中高压大容量变频器占6005---70％n3。这 一领域引起了西门子、ABB、东芝等国际各大知名电气公司非常激烈的竞争，一系列高 性能的高压大容量变频器产品被相继研制开发出来。但是，引进国外的高压变频器给 技术改造带来了不便，这是由于国外和国内的高压电机以及高压变频器电压等级不匹 配，分别为4160V和6000V，使用国外高压变频器的还需要增加变压器。国内公司的高 压大功率产品相对单一，如利德华福，北京凯奇等推出的产品。因此，为生产出国产 的高压大容量变频器，打破国外产品在这一领域的垄断，进行高压大容量变频器的研 究开发非常必要。
交流调速具有和交一直一交交频两种方式，由于交一交变频拓扑存在输出频率低，功率因数低，谐波大和控制相对复杂的缺点，一般仅用于低频场合，尽管其具有一次功 率变换效率高的优势，仍有逐渐被淘汰的趋势。因此，传统的高压大容量交流调速领 域通常都采用交一直一交变频方式。交一直一交变频的实现方式通常有两种，一种是采用 变压器耦合的多脉冲逆变器，另一种是在采用变压器分别在交流输入侧进行降压和在 交流输出侧进行升压，中间回路仍然采用低压变换器。由于功率器件耐压能力有限， 这两种方法都需要使用笨重的变压器，不仅增加了系统成本和损耗，后一种方法还会 出现中间回路电流过大，系统效率和可靠性降低，能量在低频时难以传输等缺点。根 据目前的开关器件能做到的耐压水平，普通的两电平变频拓扑结构通过器件的串并联 可直接使用于高压变频调速领域，但由于其只有两个电平输出，电压波动和谐波含量 较大，共模电压幅值较高，且器件串并联在技术上不确定因素影响大，可靠性不高， 其原因是其存在静态均压，动态均压、均流等问题。自1980年以来，相继出现了几种为解决传统高压变换电路存在的问题的多电平变换器的拓扑结构。
多电平逆变器将多个直流电压源和开关器件按照特定的拓扑连接起来，串联输出不 同的直流电压源，输出端根据功率器件的不同开关状态输出具有电压幅值各异的多种 电平，且M电平逆变器对应2M 1种线电压。多电平逆变器与普通两电平逆变器相比有 以下特点圆：输出电压的电平数和阶梯层数的增加使其更接近正弦波，谐波含量更小； 功率开关器件不存在串并联，没有均压、均流等问题，承受电压应力较低；在直流电 源电压相同的情况下，在开关功率器件动作时，输出相电压的变化幅度只有两电平逆 变器的l／(M-1)，大大降低对电动机绝缘带来的应力；消除同样的谐波，两电平逆变器和多电平逆变器均可通过P麟控制方法，但前者对开关频率要求高，而后在只需较低的开关频率，不仅减小了损耗，而且提高了效率。
目前，在高压大容量交流变频调速领域中，多电平逆变技术已成为热门研究课题之一。
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课题研究的现状及发展趋势 随着现代生产与生活的发展, 逆变电路已经应用于工业生产的各个方面。逆变器的发展进程飞快, 已经从两电平逐渐过渡发展至三电平、多电平方向。三电平与两电平逆变器相比, 在一样的调制频率下, 三电平逆变器的输出波形更加完美, 表现在直流电压的纹波比较小、交流侧的电流谐波含量较少, 且从运行情况总体上看, 器件损耗较少, 性能、效率较高, 可谓优势明显。多电平逆变器的发展大致经历了三个阶段。第一个阶段以德国学者Holtz和日本长冈科技大学九Nabae等人为代表，前者于1977年首次提出三电平逆变器，使用一对开 关管作为辅助中点在其每相桥臂进行钳位，主电路仍旧采用传统的两电平电路；后者 在1980年IAS年会上提出了新的三电平拓扑结构一一中点钳位三电平逆变器 (NPCNeutral Point Clamped)，利用两个串联的电容将直流电压分成三个电平，四个 串联的开关管和一对串联钳位二极管构成一相桥臂，钳位二极管与内侧两个开关管并 联，中心抽头连接在第三电平上实现中点钳位。第二个阶段是Bbagwat等人在第一阶 段的基础上，进一步的研究了NPC电路及其统一结构，于1983年将三电平电路推广到 了任意N电平。二十世纪八十年代末，随着高压大容量的GTO，IGBT等大功率可控器件 和以DSP为代表的先进控制芯片的出现，多电平逆变器的发展进入了第三个阶段，此 时，不仅形成了许多技术分支，如电路拓扑、P删控制方法和软开关技术等方面，且应 用领域也得到了拓展，其能量变换方式从最初的Dc—Ac变换拓展到了AC-DC变换、 Ac—DC—AC变换、Dc—DC变换和三电平PFC等，应用场合也从大功率电机驱动拓展到了电力系统无功补偿、超导储能和高压直流变换等，多电平变换器的研究和应用开始了迅猛的发展。国外对多电平逆变器的研究和开发较早，其中三电平变频器不同拓扑结构均有了成 熟的产品，但更高电平的逆变器由于控制复杂基本上还处在实验室研究阶段噶1。而国内 在多电平逆变器产业化方面则刚刚起步，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别 企业，能够研制、生产中高压变频器并提供服务，仍在广泛使用传统的大功率交流电 机调速系统，这些系统制作成本高，且在性能上没什么突破，存在功率因数低，无功 损耗大的缺点，对电网污染严重。因此，研究多电平逆变器及其控制方法，将多电平 逆变器与高性能交流调速结合起来，使系统获得更好的性能，在国内仍然大有潜力可挖。
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课题研究的目的和意义
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