一.选题背景

随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术和现代控制理论的飞速发展，多电平变换器成为电力系统及中大功率交流电机调速领域的研究重点。多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开关器件连接在一起，实现了高电压、大容量。多电平变换器相对传统两电平变换器的主要优点在于：单个器件承受电压应力小，而系统主电路容易实现高压大容量；相同开关频率下输出电压电流波形更好的接近正弦，谐波含量低；采用合适的算法能保证系统更加安全地运行。

德国学者Holtz于1977年首次提出三电平变换拓扑，其主电路采用常规的两电平电路，仅在其每相桥臂带一对开关管作为辅助中点进行箝位。1980年，日本长冈科技大学A.Nabae等人将辅助开关管换成一对箝位二极管，分别和上下桥臂串联的开关管相连以辅助中点箝位，称为二极管中点箝位式（Neutral Point Clamped，NPC）三电平变换器。这种变换器控制较容易，主开关管关断时仅承受直流侧一半的电压，因此更适合在大功率场合使用。1983年，Bhagwat和Stefanovic将这种电路结构由三电平推广到多电平，进一步奠定了NPC结构的多电平模式。

目前，世界知名大公司，如西门子、ABB、阿尔斯通等，已经开发出比较成熟的多电平产品。国内各大企业也正在逐步把眼光投向多电平变换器大庆新华电厂首次将高压变频装置用于大型机组的锅炉引风机上，该项目采用美国罗宾康公司生产的2台1250kW、11电平变频装置，经2年的运行表明，该装置安全、可靠；北京燕山集团动力部于1997年将国产第1台6kV/290kVA，17电平高压变频器安装在供水系统，其节能效果非常明显，大约1年就收回全部设备投资，综合经济效益相当可观；宝钢和太钢从法国阿尔斯通引进四电平系统应用于二十辊不锈钢轧机系统，达到了方案的经济，节能和最优化配置。

二.选题的目的及意义

多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统逆变器较高的dv/dt, di/dt所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善输出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角度，它更适合于大功率场合。多电平逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，且无需均压电路，开关器件在输出电压基频以下开关损耗小，可避免大的dv/dt所导致的各种问题。尤其是八十年代以来，以GTO, IGBT为代表的第三代电力电子器件，以及以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及，为这种新型多电平变换器的研究和实际应用提供了必要的物质基础。基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路已进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。一般认为多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上，按照类似的拓扑结构拓展而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越接近正弦波，谐波成分越少。但这种理论上可达到任意N电平的多电平逆变器，在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前提下，并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。国外也有对七电平及更高电平的研究，但都还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。多电平电路的出现为高压大容量电压型变换器的研制开辟了一条新思路，逐渐成为大功率电机传动和大功率无功补偿等领域的重点研究对象。到目前为止，多电平变换器已经有了很大的发展，在理论和拓扑结构上出现了多个分支。

现如今世界范围内能源消耗不断增长，新能源被广泛应用到多种场合。然而对于这些新能源而言，其输出电压多半在很宽的范围内变化，因而能适应宽范围输入，在宽范围均有良好性能的变换器则显得尤为需要。 实现开关电源的轻、薄、小是未来发展的趋势，对开关电源进行高效率、高功率密度、高可靠性的研究是电力电子技术的重要课题方向之一。电力电子装置的广泛应用对电网的谐波污染日趋严重，消除谐波污染、实现绿色电源势在必行。这就需要对开关电源的高效率利用方面进行深入的研究。因此，实现能源的有效利用是未来发展的必然趋势，也是实现新能源研究的方向之一。

开关电源以其很多显著的优点正被越来越广泛的应用于国民生产的各个领域。这些优点体现于以下一下方面：①效率高。开关稳压电源调整开关管工作在开关状态，在截止期间，开关管无电流，因此不消耗功率，可大大提高效率，通常可达到80％以上。而传统的调整串连型稳压电源的晶体管一直工作在放大区，全部负载电流都通过晶体管，功耗就较大，因而效率很低，一般只在50％左右。②由于开关管在开关状态，功率消耗小，不需要采用大散热器。而且功耗小使得机内温升低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，有利于提高整机的可靠性和稳定性。③稳压范围宽。当开关稳压电源输入的交流电压在150～250范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2％以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。因此开关稳压电源适用于电网电压波动很大的地区。④体积小重量轻。开关电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过脉冲变压器获得各组不同的脉冲电压，这样就可省去笨重的工频变压器，节省了大量漆包线和硅钢片，使电源的体积大大缩小，重量减轻。⑤安全可靠。开关稳压电路一般都具有自动保护电路，当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，保护功能灵敏可靠。

正是基于开关电源相对于传统相控和线性电源的优势，很多相关单位和部门都将面临着传统电源的改造和改进工作。开关电源市场比较乐观。而且随着电力电子新技术产品的”四化”发展方向：应用技术的高频化，硬件结构的模块化，软件控制的数字化，产品性能的绿色化，新一代开关电源产品的技术含量将在原有基础上进一步提高，更加成熟、经济、实用、可靠，从而更好的服务于国民经济的各个相关行业，提供高品质的电能。