现如今，风力发电机的功率范围已发展至兆瓦级，且可变速运行的具有部分功率变换器（约为总功率的30%）的双馈感应发电机已经在工业领域获得了广泛的应用。采用部分功率变换器可获得的变速范围为同步转速的±30%[130]。与定速系统相比，这一变速范围不仅足以满足大多数风速条件下的应用需求，还可以进一步改善能源的转换效率。然而，最新并网规则不仅对大型风力发电系统的无功功率控制提出了要求，还对电压跌落及其持续时间做出了限制，且要求系统必须具有低电压穿越能力。采用部分功率变换器的风力发电机可满足这些要求的同时，变换器的额定值也被限制为30%。随着风力发电机的尺寸和功率等级的不断提高——目前投入使用的单机功率已达到5MW，而某些工业样机甚至已经超过了6MW，采用降容变换器可突破这一挑战，并满足最新并网规则的要求。另外，在较宽的范围内采用变速运行模式还具有其他一些优点，如降低结构应力和噪声水平、提高大型风力发电机的功率输出和效率。
目前，采用具有全功率变换器的同步电动机已成为该领域的另一种发展趋势。考虑到风力发电系统的输出电压通常为690V，对大功率风力发电机而言，由于电流比较大，为了达到相应的功率水平，必须将若干个变换器并联以达到所需要的输出功率。相比之下，提高功率变换器的输出电压可以降低输出电流、减少电缆数量、降低滤波器的尺寸和成本。因此，当风力发电机的功率上升至几兆瓦时，输出电压为3kV或4kV的中压风力发电系统更具有竞争力。此外，这种方式还降低了公共耦合点处对升压装置的要求。鉴于上述原因，考虑到当前的风力发电机的功率范围为兆瓦级，对风力发电系统而言，采用多电平变换器作为功率变换器接口的替代方案非常具有发展潜力。
为了提高对风力资源的利用效率，降低运营成本，增大单机机组功率、提升并网电压等级已成为风电发展的一个必然趋势。尤其是背靠背式三电平中点钳位型变换器，对于风力发电系统就是一个非常好的选择。这是由于它不仅可在高性能发电机侧起到控制作用，实现最大功率点跟踪（Maxim Power Point Track，MPPT），当电网和发电机与直流母线脱离时，还可对电网侧进行控制，起到调节有功功率和无功功率的作用。这也是背靠背式三电平中点钳位型变换器作为适用于该应用领域的多电平拓扑结构获得了最多应用的原因[131，132]。针对永磁同步发电机风力发电系统，图1-26a给出了一种背靠背式三电平中点钳位型变换器结构的简化框图。若考虑采用多极式发电机，将可通过电动机构实现低速转子轴（约为15r/min）和电网频率（通常为50～60Hz）之间的速度变换，从而省去变速箱装置。目前，国外一些风电研究机构和企业已经开发出3MW以上功率等级的背靠背三电平中点钳位型变换器，如Converteam公司的MV7000系列[25]、ABB公司PCS 1000/PCS 6000系列[21]。
此外，对于本章前面分析过的混合型5电平有源中点钳位型变换器，参考文献[133，134]还提出了相应的背靠背式配置方案。
图1-26 基于全功率NPC型变换器的永磁同步发电机风力发电系统
另外一种值得关注的拓扑结构是：在电网侧采用三电平中点钳位型变换器，在发电机侧采用具有直流-直流升压变换器的三相二极管整流器[90]，其中发电机侧的升压变换器用于实现最大功率点跟踪控制，三电平中点钳位型变换器则用于调节电网侧有功功率和无功功率，如图1-26b所示。这种背靠背中点钳位型变换器的主要优点在于结构简单、成本低、具有较高的前端可靠性。但是，这种结构也存在一些缺点：系统动态性能较差、发电机侧引入了谐波电流。
相反，基于级联型H桥变换器需要使用隔离的直流源，其工程应用变得略显复杂。尽管如此，基于永磁同步发电机独立定子绕组进行供电的整流器，还是提出了一些引人关注的概念。每个定子绕组均被整流，并用于级联型H桥变换器中每个H桥结构上的直流源[135]。这种方法很自然地提高了系统的电压，为无变压器运行提供了便利条件。变换器输出电平数量的增加有效降低了系统的开关频率。与此同时，电网侧的功率控制性能也得到了改善，无滤波器也可满足电网规范要求。该系统尤其适用于海上风力发电机组，这是由于风力发电机的塔顶通常需要配备升压变压器，对整个结构存在较大的机械应力。
由于目前的光伏系统的功率水平都比较小，从表面上看，采用多电平变换器作为光伏并网系统的功率接口似乎不太合适。然而，近年来，随着光伏模块成本的降低，并网光伏发电厂的功率等级始终处于上升状态。当前，已有数百个10MW级的大型光伏电站处于运行状态，甚至还有更大的光伏电站正处于开发阶段。而光伏并网发电系统是发展速度最快的可再生能源之一。对于大型光伏电站，集中式和多组列式配置结构得到了广泛的应用，并通过中间直流-交流变换器实现了并网整合。对于输出功率达到兆瓦级的光伏电站，两电平电压源型变换器这样的经典拓扑结构已经无法满足供电质量、最大允许开关频率、高电压运行条件和滤波器尺寸方面的要求，而多电平变换器却可以实现。
多电平变换器可通过一种更为智能的方式实现光伏阵列的互连，并与公共耦合点处的电压较为接近，甚至可以达到一样的电压水平。由于电网规范对光伏系统的要求越来越苛刻，多电平拓扑结构将变得更具吸引力。
图1-27a和b分别给出了基于级联型H桥变换器拓扑结构和中点钳位型变换器拓扑结构的多电平多组列光伏拓扑结构示意图。由于H桥结构采用了串联连接方式，相应的光伏组列很自然地具有了升压功能，从而省去升压变换器或升压变压器，因此级联型H桥多电平变换器拓扑结构更适合应用于光伏发电系统。同时，这种拓扑结构还提高了变换器总输出电压的等效开关频率，有效降低了器件的平均开关频率、并网电流的谐波以及电网侧滤波器的体积，提高了系统的效率。目前，Converteam公司提供用于光伏并网的三电平变换器商业化产品[25]。(www.xing528.com)
与离网型光伏发电系统相比，并网型光伏发电系统没有储能装置和附加变换器损耗，其运行效率得到了改善，正在迅速增长。但是，在许多情况下，离网型光伏发电系统仍是唯一的能量来源。同样，在这一领域，多电平变换器技术也被认为是一种可能的解决方案[136]。
最近，多电平变换器还在抽水蓄能装置上获得了应用。通过这种大型储能系统，湖泊、河流甚至海洋中的水被水泵抽至位置较高的蓄水池中，然后在需要时进行水力发电。抽水蓄能装置对核发电厂尤其有用。这是由于核发电厂实际操作中，不能突然改变反应堆的运行水平。在需要低功率运行时，过多的能量驱动泵将水抽至蓄水池中。对于风力发电场，当能量超过消耗需求时，这一方法也同样适用。此外，在功率需求较高（高峰时段）时，蓄水池内的水将可用于产生额外的能量。图1-28给出了一种抽水蓄能系统的简化示意图。这种系统使用的可逆式抽水泵/涡轮机既可用于抽水，也可用于发电。由于这类系统具有较高的功率等级，一般而言，它们都通过同步电动机/发电机以固定的转速运行。然而，研究表明，在不同的负载和运行条件下，即使以高于或低于同步转速的较小的百分比进行变速运行，也会提高系统的效率。因此，对于功率等级更高的水泵/发电机而言，通过部分额定变换器将转子与电网互连后，双馈感应发电机将可提供一定的变速比，从而实现系统的变速运行[137]。目前，ABB公司已实现了三电平有源中点钳位型变换器的商业化生产，并可用于200MVA抽水蓄能系统[21]。借助这种解决方案，系统将可提高大约10%的效率。另外，有源前端变换器还可减小电力系统的波动，实现无功功率控制，从而提高电力系统的稳定性。
图1-27 基于多电平变换器的光伏并网系统结构示意图
对于长距离输电应用（>600km），高压直流输电是一种高效且经济的能源输送系统。传统的交流-直流-交流变换是通过两端互连于不同的交流系统的背靠背电网换相型变换器来实现的。对于海上风电站、海上石油/天然气平台通过海底电缆与陆地之间的短距离输电系统而言，这种方式还是很有用的。由于输电电压和总功率分别可高达800kV和7GW[22]，必须将多个晶闸管串联连接。针对这一应用领域，参考文献[138]和[139]提出了一种基于背靠背模块化多电平变换器的应用方案。最近，西门子公司已经开始生产并销售这种变换器，功率达1000MW。图1-29给出了一种增强型高压直流（HVDC-plus）输电系统的结构框图。这种系统通过背靠背模块化多电平变换器拓扑结构实现了两个交流电网的互连[51]。参考文献[138]对一种适用于400MW系统的模块化多电平变换器进行了分析（每相包括200个模块）。参考文献[140]还提出了一种适用于高压直流输电的中点钳位型多电平变换器，该系统采用了背靠背5电平中点钳位型变换器拓扑结构。
图1-28 用于抽水蓄能的背靠背ANPC双馈感应发电机/电动机
图1-29 基于MMC的增强型HVDC系统
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