1.6.3的广泛应用：机车、船舶和汽车的牵引和推进系统

多电平变换器另一个引人注目的应用领域就是机车牵引功率变换系统。机车传动装置运行于中压大功率范围，在整个频率范围内均要求非常高的性能以实现机车的高速运行。通常情况下，为了实现高速运行，必须采用较高的开关频率以实现基波的控制。多电平变换器可产生较高的等效开关频率输出波形，而器件的平均开关频率并没有实质性的提高。此外，多电平输出还从本质上改善了THD，从而进一步降低了开关频率。另外，机车负载的大惯性特点还要求多电平变换器具有再生制动和四象限运行特性。因此，基于背靠背结构的三电平中点钳位型变换器已经在机车传动系统中获得了实际应用。值得注意的是，这类装置同样也在磁悬浮列车中获得了应用^[117，118]。图1-24a给出了这种装置的简化系统框图。背靠背中点钳位型变换器在为长定子直线同步电动机部分供电的同时，产生的行波磁场将与转子（机车）的支撑磁体相互作用并产生水平推力。

图1-23 基于级联型H桥的三端口UNIFLEX-PM系统拓扑结构示意图

通常情况下，用来降低接触网电压以满足电动机传动装置供电需求的牵引变压器都非常笨重，增加了机车的重量。因此，人们提出了几种无变压器多电平变换器拓扑结构的建设性方案：这类变换器可在接触网侧达到足够高的电压，每条直流母线上还具有中频直流-直流隔离变换级为不同的电动机传动装置分配电压。一些针对级联型H桥变换器和中点钳位型变换器的文献均提出了一些拓扑结构^[45，119]。图1-24b给出的拓扑结构采用一个单相无变压器级联型H桥前端整流器实现了与15kV/16.7Hz电网的直接连接^[120]。其中，每个H桥结构均为机车牵引系统的一台电动机传动装置供电。另外，还可以采用具有中频直流-直流隔离变换级的级联型H桥变换器拓扑结构作为机车牵引装置的交流-直流电网接口^[121]，消除笨重的变压器对机车重量造成的影响。

如上所述，负载换相型逆变器和周波变换器拓扑结构具有高功率、高效率、高可靠性和低成本、尺寸小的优点，并在船舶推进装置中占据主导地位，但是它们的动态性能较差。对船舶推进应用而言，这两种变换器还会造成输入端电能质量变差，对船载电力系统的稳定性和管理造成不良影响。由于这些系统变得越来越复杂，必须在推进装置变换器和船载配电盘之间加入无源滤波器、有源滤波器或其他柔性交流输电系统来实现电力系统的补偿和支撑，而这将增加船舶推进装置的成本和尺寸，并对周波变换器和负载换相型逆变器所具有的其他优点造成不良影响。与这种系统相比，多电平变换器固有的优势已经使其在这一应用领域内越来越具有竞争力，相应的系统也获得了成功的应用。针对30MW的变速电动船舶推进系统，参考文献[122]对周波变换器和其他类型变换器的拓扑结构进行了评估，包括中点钳位型多电平变换器，并得出如下结论：尽管周波变换器具有较高的效率，体积较小，但为了改善供电质量，仍可被中点钳位型多电平变换器所取代。

图1-24 用于机车牵引的多电平变换器

图1-25给出了一个具有双螺旋桨冗余电力推进系统的油轮发电-配电-负载系统的简化框图^[123]。该系统分别采用两台背靠背三电平中点钳位型变换器来驱动6.15MW的同步电动机。另外，该油轮还使用了多电动机系统，其中的几台电动机由同一台变换器进行供电，如采用一台变换器同时驱动装货/卸货泵电动机和推进电动机。由于货泵电动机和推进电动机不会同时起动，该系统的这两个传动装置共用一套中点钳位型有源前端整流器，降低了该系统的总成本。(www.xing528.com)

图1-25 具有双螺旋桨冗余电力推进系统的油轮发电-配电-负载系统的简化结构框图

船舶推进装置的电动机方面的技术进步，即多相电动机的出现，也推动了多电平变换器的发展。在过去的10年里，多相电动机以其高可靠性、容错能力、更好的转矩性能和较高的功率密度等优势获得了越来越多的关注，也正是因为具有这些优势，使其非常适用于船舶/舰艇推进系统。因此，对这一应用领域而言，多相电动机和多电平变换器技术的组合将形成一系列的优势^[124，125]。参考文献[124]对适用于五相电动机传动装置的三电平中点钳位型变换器进行了分析。通过三电平中点钳位型变换器这一附加装置的应用，多相两电平电压源型变换器可产生的不同电压空间矢量的数量由31个增加到了211个，这将可以在系统内采用更多的功率执行机构，从而显著提高电动机的转矩控制性能。

在过去的几年里，电动汽车和混合动力电动汽车牵引变换器得到了非常好的发展。然而，由于这类应用不属于大功率范围，多电平变换器还没有成为这一领域的重要组成部分。但是，电池这类直流源可以为多电平变换器提供独立的直流电压，以及多电平变换器所提供的优越的供电质量、较高的效率均推动了多电平技术在这一领域的发展。由于电磁干扰/电磁兼容性（EMI/EMC）问题的存在，供电质量在工业领域内显得尤其重要，汽车工业对供电质量也具有非常严格的要求。例如，针对混合动力电动-燃料电池汽车应用场合，参考文献[126]提出了一种基于改进的飞跨电容单元的5kW多电平直流-直流模块化变换器。针对电池组/逆变器之间的接口，参考文献[127]提出了一种用于电池/逆变器接口的没有电磁装置的直流-直流悬浮电容器，这种装置不仅适用于高温运行条件，还适用于一些电池系统。

参考文献[128和129]提出了在汽车牵引装置上使用多电平变换器的概念，其中参考文献[129]提出了一种使用具有H桥变换级的两电平电压源型逆变器作为输出的混合型拓扑结构，这种结构与中点钳位-级联H桥变换器较为相似，如图1-12所示。需要注意的是，针对电动和混合动力电动汽车应用，这里考虑采用的是两电平电压源型逆变器，而不是中点钳位型逆变器。在没有使用电感的条件下，这种拓扑结构的输出电压得到了提高，起到了升压变换器的作用，且提高了变换级的功率密度，这些特点非常有益于汽车中的应用。

目前，已有相当一部分现代化矿用拖运卡车采用了柴油-电动混合动力装置，最高输出功率可达3MW，这也得益于多电平技术的不断发展。