单元串联式多电平技术方案的派生方法

在单元串联多电平电压源型变频的功率单元的拓扑结构上做一些改动和优化，就可以得到许多扩展技术，下面对其中一些实用的方案做一个简单介绍。

6.4.4.1 功率单元采用多电平结构的技术方案

图6-37 单相三电平桥式逆变功率单元原理图

经典的功率单元串联多电平的技术方案中，功率单元采用的是交-直-交式，逆变器采用的是单相全桥的结构，俗称H桥式，这种方案每个功率单元的输出有+、-、0三个电平，当采用每相8个单元串联时，整机可以实现相电压17个电平，线电压33个电平的输出。

国内外有一些厂家将功率单元作了一些改进，将H桥换为三电平功率单元逆变的结构，其功率单元原理图如图6-37所示。其每个功率单元的输出则可以达到±2、±1、0五种电平信号。

当采用三电平功率单元时，每相只需要4个功率单元，就可以使整机实现相电压17个电平、线电压33个电平的输出，功率单元数量减少使整机结构简单、体积减小，且其采用的电容、IGBT等主要元器件的参数与H桥基本相同。但每个单元增加了四个箝位二极管，使成本稍有增加。

总体来讲，这种方式结合了三电平的简单与功率单元串联式多电平的优良性能两个方面的优势，有一定的优越性和使用价值，采用这种技术方案的产品在国内和国外都有生产，但目前这种方式的产品市场占有率还不高。

6.4.4.2 非对称结构功率单元串联式多电平变频调速系统

在H桥式功率单元中，每个功率单元需要三条输入线，整机共需要72条输入线，造成变压器二次侧引线太多、结构复杂，散热设计、各组二次输出电压和阻抗的一致性得不到保证。

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图6-38 非对称结构功率单元

针对上述问题，参考文献[6]采用了一种新型的非对称结构功率单元串联多电平变频调速系统的拓扑结构，其功率单元结构如图6-38所示，采用这种拓扑结构，每相只需要4个功率单元就可以实现线电压33个电平的输出，而且变压器二次侧绕组只需12组即可。在保证整机性能指标不降低的情况下，可以使整个装置的结构简化、体积减小、成本降低。

6.4.4.3 混联式多电平技术方案

参考文献[11]提出来一种混联式多电平技术方案，其主体结构如图6-39所示。该逆变器同样采用功率单元串联的拓扑结构，每一相的三个功率单元的中间直流电压不同，U₁、U₂、U₃电压按照1∶2∶4的关系分布，同时各个功率单元依直流电压的不同也采用不同电压等级的电力电子器件。

图6-39 混联式多电平技术方案主体结构图

参考文献[7]提出了另一种新颖的混合级联式多电平拓扑结构，如图6-40所示。该结构将传统的H桥逆变器（主逆变器）和二极管箝位型三电平逆变器（从逆变器）结合起来，串联为电动机供电，而这其中仅仅只有主逆变器需要电压源。这种新型的拓扑结构由于增加了从逆变器作为辅助单元用于能量存储，可以提高系统的效率，一定程度上实现电动机的四象限运行。相比传统的H桥逆变器，该拓扑可以减少输入电压源的数目；当电动机以稳定速度运行时，从逆变器可以为负载提供无功能量。

图6-40 新型的混合多电平拓扑结构