多电平变换器前景与应用
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摘 要：目前多电平逆变技术在高压大功率上面的使用受到了高度关注，成为电力电子领域研究的重点，其主要控制方法有消谐波PWM法（SHEPWM）和正弦波PWM法（SPWM）。但这两种控制方法存在输出电压总谐波畸变率（THD）偏高或空间电磁波EMI（Electronic Magnetic Interference）等缺点。通过使用面积等效多电平控制算法，应用到级联5电平变换器中，使输出电压波形最大程度等效于正弦波，具有较小的电压总谐波畸变率。通过数学分析和实驗仿真结果可以看出，该控制技术是可行的，与特定谐波消除法比较结果证明了该控制技术是行之有效的，并可以用于其他级联多电平变换器中。
关键词：多电平变换器;级联多电平变换器;总谐波畸变率
1 多电平变换器的发展背景
近几年交流电机的调速技术已经在风机、泵类等等领域开始普及，电压低于380V的低压变频器开始大量应用交流调速技术。但对于诸如高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机、电力水泵及工业引风机等等用于工业生产的大功率机械、风机及泵类中，驱动电机使用的都是400～40000kW，3～10kV的大功率高压交流电动机。而上述这些设备大都缺乏调速节能技术，从而在运行过程中虚耗了大量的电能。大家称这些设备是“电老虎”。所以研发高电压多电平大容量交流电动机变频调速节能设备和普及使用，能够有效降低工业生产的能耗。另外，我国还可以通过大力发展注入高铁、地铁及轻轨等等高速公共交通和新能源汽车来解决日渐严峻的环境污染问题。上述这些交通工具都采用了大容量交流电机变频调速技术。
在很多传统工业生产领域中，该技术近年来推广应用情况也较为良好，并逐渐取代以往的直流调速技术。比如在煤炭、水泥、造纸、轧钢、铁路和船舶等等工业领域都普遍用上了大中容量交流电机调速装置。我国大容量交流调速系统由于开始研发时间较晚，仅仅只有少量的产品投入使用，目前大多数应用的调速产品仍然是国外研发生产。但是一般情况下国外产品价格都比较高，很难被一般用户所接受。因此研制性能稳定，且价位适中的大容量高性能交流变频调速装置并且能够快速量产，具有非常重要的意义。
目前我国的高压大容量电子电力变换技术研究也是新的攻坚重点和经济增长点，其发展前景与对社会的意义不亚于计算机、互联网及通讯产业。市场容量也比较大。
进入本世纪以来，诸如德国、法国及日本等等发达国家开始加强对节能技术方面的研发及应用。上述这些国家在高性能大容量交流电机传动技术方面的研发生产都居于世界领先地位。在上述这些国家中，电动机调速技术及相关设备是一个非常具有实力和潜力的产业。MW级的逆变器产品已经广泛应用于全世界的电力机车、船舶电力推进、造纸及轧钢等高性能的系统中。
从上世纪80年代开始，我国就开始了对电动机调速技术的研发应用，但一直以来其进度远远落后于发达国家。目前我国自主研发生产的调速装置主要采用的都是可控硅直流电机调速，其主要应用行业为冶金、化工、矿井及石油钻机等。上述系统制造技术虽然已经比较成熟，但造价仍然居高不下，且保养维修耗费较高，工作量也较大，加上可控硅本身就是污染物，因此该技术以后必然要被逐步淘汰。大功率交流调速设备研发工作我国也一直在进行，并且有相关的装置设备问世。但这些装置设备大多采用可控硅交-交变频调速，不仅效率不高，而且制造成本较高，可控性较差，且对电网的污染严重，功率因素难以提升，无功损耗也难以降低，应用时必须附加昂贵、庞大的谐波治理装置，这就大大增加了设备使用成本。
2 多电平变换器在大容量场合的应用
与传统两电平变换器相比，多电平变换器的优势是十分明显的，比如可以使用于多个高压大容量应用场景，其中就包括直流—交流变换、直流—直流变换。主要有高压大容量交流电机的变频调速、交直流间的能量转换、电能质量的整体提升等等方面。
在交直流相互转换方面，多电平变换器与两电平变换器相比控制方法灵活，易于对输出电压的相位和幅值进行调节，并且具有更低的输出电压谐波量。可以用于高压直流输电超导储能、同时也可以用于清洁能源的产生和输送，比如太阳能发电及风力发电时，其发出的电能在入网前可以接入高压多电平变换器。随着大量的电力电子装置普及，电网中谐波污染也日渐增加，因此有源滤波装置及无功补偿装置也需要适应高电压大容量的用途。所以多电平变换器在电能质量综合治理方面表现也较为良好。此外多电平还可应用于高压大电机的变频调速，在电厂的风机、泵类负载、水厂和钢厂轧钢时用到的高压大容量交流电动机、轨道电力机车的动力系统中，通过应用多电平变换器进行调速，能够有效地节约电能，以及提升电能利用效率。总之，多电平变换器将来的应用范围必然会是越来越广泛的。
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