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近年來，能源緊張與環(huán)境惡化問題愈發(fā)嚴(yán)峻，清潔可再生能源的研發(fā)迫在眉睫。為了將新能源所發(fā)電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或本地負(fù)載，而使功率變換器得到廣泛研究。其中，多電平逆變器由于能夠提供可靠高質(zhì)量的輸出電壓，在直流電轉(zhuǎn)化為交流電方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)多電平逆變器主要分為二極管鉗位型、飛跨電容型及級(jí)聯(lián)H橋型。隨著輸出電平數(shù)的升高，二極管鉗位型和飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中器件數(shù)量顯著增加，且二者均存在電容電壓不平衡的問題，需要輔助電路和復(fù)雜的控制算法來維持電容電壓平衡。級(jí)聯(lián)H橋型拓?fù)渫ㄟ^級(jí)聯(lián)H橋模塊提高其輸出電平，使用非對(duì)稱獨(dú)立直流電源可合成最佳輸出電平。但是，多個(gè)獨(dú)立直流電源的需求為逆變器設(shè)計(jì)帶來困難。

開關(guān)電容多電平逆變器利用電容與電源“串聯(lián)充電、并聯(lián)放電”的工作方式將電容作為儲(chǔ)能元件參與放電，可有效提高輸出電壓增益和輸出電平數(shù)量，且具有電容電壓自平衡、升壓能力強(qiáng)、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，在近些年被廣泛研究。然而相關(guān)研究的拓?fù)溟_關(guān)管數(shù)量較高，不僅增大了控制難度，也增加了變換器的體積和成本。

為改善傳統(tǒng)多電平逆變器有源器件數(shù)量較多以及擴(kuò)展結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院、河南省電力電子與電能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心、河南省智能充電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院的王要強(qiáng)、李娜、趙朝陽、陳天錦、梁軍，在2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種降低器件數(shù)量且可模塊化擴(kuò)展的新型開關(guān)電容多電平逆變器。

圖1 多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 模塊化擴(kuò)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該逆變器由分壓電容單元、開關(guān)電容單元和兩個(gè)半橋組成，使用1個(gè)直流電源、4個(gè)電容、8個(gè)開關(guān)管和2個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)2倍電壓增益和九電平交流輸出電壓。逆變器通過2個(gè)半橋代替后端H橋轉(zhuǎn)換輸出電壓極性，可以有效降低開關(guān)管總電壓應(yīng)力；在逆變器的模塊化擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，電容逐級(jí)充電的工作方式進(jìn)一步提高了電壓增益和輸出電平數(shù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

與近年來提出的開關(guān)電容多電平逆變器的比較結(jié)果表明，研究人員所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸出電平數(shù)升高之后，在功率器件數(shù)量方面有明顯優(yōu)勢(shì)，這有利于降低變換器成本、提高變換器功率密度。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證結(jié)果表明，逆變器在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下都具有良好的工作性能。

本文編自2022年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“一種新型多電平逆變器及其模塊化分析”。本課題得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、河南省高等學(xué)校青年骨干教師項(xiàng)目和河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)項(xiàng)目的支持。