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在大容量變換器領(lǐng)域，多電平逆變器具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，只需采用低壓小功率器件即可完成大功率電能轉(zhuǎn)換，交流側(cè)電壓的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）可通過增加輸出電平數(shù)得到有效降低，為設(shè)計濾波器提供便利，且輸出側(cè)電壓跳變較小，避免了瞬時過大的du/dt對器件的危害。因此，多電平逆變器不但廣泛應(yīng)用于可再生能源發(fā)電以及大容量交流傳動系統(tǒng)，并且適用于高壓輸電系統(tǒng)、電能質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的多電平逆變器主要包括飛跨電容（Flying-Capacitor, FC）型、中點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamped, NPC）型及級聯(lián)H橋（Cascade H-Bridge, CHB）型，然而這三種基本拓?fù)渚嬖谝欢ǖ牟蛔?，限制了其在一些特殊場合的?yīng)用。

中點(diǎn)鉗位型和飛跨電容型多電平逆變器需要對分壓電容電壓進(jìn)行均衡控制，增加了系統(tǒng)控制難度，且向更多電平擴(kuò)展時，需要大量的鉗位器件；級聯(lián)H橋型多電平逆變器雖然不存在直流側(cè)均壓問題，但需要大量獨(dú)立直流電源，成本較高。此外，這三種逆變器均屬于降壓型逆變器，應(yīng)用于風(fēng)能、太陽能等輸入電壓寬范圍變化的場合時存在局限性。

針對傳統(tǒng)多電平逆變器的缺陷，學(xué)界提出了許多新型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如以雙Buck逆變器為基本單元的飛跨電容型雙Buck多電平逆變器、混合鉗位四電平逆變器、單相級聯(lián)七電平逆變器、單電源九電平逆變器等。這幾種逆變器雖然在電容均壓控制、拓?fù)溲诱剐苑矫婢哂幸欢▋?yōu)勢，但仍只能夠?qū)崿F(xiàn)升壓或降壓逆變。

為實(shí)現(xiàn)多電平逆變器升降壓能力，目前主要有幾種形式的解決方案：

一是將無源阻抗網(wǎng)絡(luò)加入到傳統(tǒng)多電平變換器拓?fù)涞那岸?。有學(xué)者在傳統(tǒng)二極管中點(diǎn)鉗位型多電平變換器的基礎(chǔ)上加入Z源網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一種可升降壓的多電平逆變器，此方案不但引入數(shù)值較大的電感、電容等無源元件，而且需要的鉗位器件數(shù)量較多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，另外需要采用相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)電容電壓的均衡控制。

二是采用兩級結(jié)構(gòu)兼顧升降壓功能。有學(xué)者在傳統(tǒng)級聯(lián)H橋每個模塊前增加一級可升壓的DC-DC變換器，將輸入直流電壓升高，從而使電路具有升壓能力，但加入DC-DC環(huán)節(jié)增加了系統(tǒng)成本，降低了可靠性和效率。

三是從分析構(gòu)成多電平變換器的基本結(jié)構(gòu)單元出發(fā)，傳統(tǒng)電壓型逆變器無法實(shí)現(xiàn)升降壓逆變的根源在于其多由Buck斬波器演變而來，升降壓斬波器中的Cuk和Zeta變換器為脈沖電壓源型，可以作為基本單元擴(kuò)展成為多電平逆變器。有學(xué)者提出了一種單級非隔離型雙Cuk多電平逆變器，以Cuk變換器作為基本單元，具有升降壓能力，但是該電路中無源器件較多，可靠性不高。

燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在分析現(xiàn)有多電平變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合Zeta變換器特點(diǎn)，提出一種基于Zeta的新型飛跨電容型多電平逆變器。該拓?fù)渫ㄟ^將基本單元在輸入側(cè)并聯(lián)、輸出側(cè)串聯(lián)組合而成，中間電容器與輸出濾波器采用復(fù)用原則，減少了無源器件數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)單級升降壓逆變，且具有電容自均壓、擴(kuò)展能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在新能源發(fā)電等需要寬電壓輸入的應(yīng)用場合具有一定的價值。

他們以Zeta五電平逆變器作為研究對象，介紹其調(diào)制方式及各個工作模態(tài)，分析了該逆變器正常工作時的開關(guān)器件應(yīng)力、電容自均壓的實(shí)現(xiàn)、升降壓能力以及拓?fù)涞臄U(kuò)展能力，并對Zeta五電平逆變器進(jìn)行了仿真證明。最后搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了理論分析和仿真結(jié)果的正確性。

研究人員最后指出：

1）新型飛跨電容型Zeta多電平逆變器采用容易實(shí)現(xiàn)的單極式載波相移調(diào)制策略，在相同載波頻率的情況下將其開關(guān)頻率等效提高，同時使其交流側(cè)輸出電壓的諧波畸變率有效降低。

2）該多電平逆變器只采用單級結(jié)構(gòu)即可完成升降壓功能，克服了傳統(tǒng)多電平逆變器只能升壓或降壓的局限，適用于輸入電壓寬范圍變化的應(yīng)用場合。

3）該逆變器電容具有自均壓能力，不需要復(fù)雜的均壓控制，且與傳統(tǒng)多電平逆變器相比，所需鉗位器件較少，更易于擴(kuò)展為多電平逆變器。

本文編自2022年第1期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“一種新型飛跨電容型Zeta多電平逆變器”，作者為王立喬、韓胥靜 等。