第1章 概述

本章将概括介绍有关级联式SPWM多电平逆变器的一些基本知识，如级联式SPWM多电平逆变器的定义和研制背景、发展过程和应用领域、基本工作原理、分类及特点等，以使读者对级联式SPWM多电平逆变器有一个大概的了解。本章最后还将介绍这种逆变器所用的开关器件。

1.1 定义和研制背景

1.1.1 定义

所谓SPWM脉宽调制法（Sinusoida PulseWidth Modulation，SPWM），是指用以正弦波做调制波（Modulating Wave），以F倍于正弦调制波频率的三角波做载波（Carrier Wave）进行波形比较而产生的一组幅值相等，而宽度正比于正弦调制波的矩形脉冲列来等效正弦调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通、断控制，把直流电能变换成正弦交流电能的一种逆变器控制法。由于载波三角波的上、下宽度是线性变化的，所以SPWME脉宽调制是线性调制。

具体而言，SPWM脉宽调制法是把通信系统中的调制技术应用于逆变器的控制中的一种正弦脉宽调制技术。1983年，笔者在航天部第二研究院院刊上发表了SPWM逆变器理论的数学分析一文，对SPWM技术进行了严格的数学证明，这种证明是以双重傅里叶级数为基础的一种数学证明，笔者用它推导出了逆变器输出电压的表示式，以及对输出电压中所包含谐波成分进行了分析。

SPWM多电平逆变器中的SPWM脉宽调制的功能是为了调节逆变器的输出电压、改善输出电压的波形。所谓SPWM多电平逆变器的电平数，是指在输出电压一个周期内的SPWM电平数，也即输出电压波形中从正最大值到负最大值之间所包含的 SPWM阶梯数，如图1-1所示。由于SPWM多电平逆变器从正最大值到负最大值之间所包含的SPWM阶梯数是7，所以它的电平数为7。

所谓SPWM多电平逆变器，是指其输出电压波形中的SPWM电平数等于或大于3的逆变器，如三电平逆变器、五电平逆变器和七电平逆变器等。这种SPWM多电平逆变器主要有两种结构形式：一种是在传统两电平逆变器半桥式结构的基础上，按照相同的半桥式结构，通过增加直流分压电容将直流电源电压分压成多个相同的直流电压，然后通过加入钳位电路和增加开关管的串联个数构成的半桥式多电平逆变器。它用不同的开关切换组合进行SPWM控制来得到SPWM多电平输出。这种SPWM多电平逆变器通常被叫做钳位式SPWM多电平逆变器；另一种是利用单相全桥式SPWM逆变器（俗称FBI或H桥），通过直接串联级联叠加组成的SPWM多电平逆变器，这种SPWM多电平逆变器通常被叫做级联式SPWM多电平逆变器。这种多电平逆变器的每个FBI（或H桥）的直流电源必须是独立的直流电源，只有在这种情况下才能进行级联。独立直流电源的电压可以相等，也可以不相等。取不同的直流电源电压，可以得到不同的SPWM电平数的电压输出，如三电平、五电平、七电平等。除了上述两种主要的SPWM多电平逆变器的结构形式之外，还有其他一些电路结构形式，如SPWM直流电源级联式多电平逆变器等，这将在第5章与第6章的介绍中进行说明。

1.1.2 SPWM多电平逆变器的研制背景

SPWM多电平逆变器，是以电力系统中的直流输电、无功功率补偿、电力有源滤波器等应用发展的需要，高压大功率交流电动机的变频调速系统大量应用的需求，由20世纪70年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染所引起的世界各国对节能技术与环保技术的广泛关注，以及轨道交通发展的需要为背景的。

1.电力系统的发展需要

随着我国国民经济的高速发展，市电电网的电压和电流存在着严重的质量问题。首先，由于市电电网的复杂性，如容量的不足、输变电和各种配电设备的性能及质量问题，各用电设备配置的不合理、设备之间的相互影响、配电系统中各种非线性负载的增加、电力电子设备的广泛应用、自然界的雷击、地电和人为因素的影响等，使得市电供电的质量在逐渐地恶化。其中市电电压的波动、谐波、闪变，以及市电电流中无功与谐波分量的影响最大。而市电电能质量的恶化会给用户带来较大的损失。其次，用户负载中的电动机、变压器、荧光灯等非线性负载及电力电子电源的大量应用，也引起了谐波和无功功率的大量产生，这不仅增大了市电电网的负担，也造成了对市电电网的严重污染。

在我国，由于能源与工业发展的不平衡，西部能源多但用电少，而东部能源少但用电多，这就决定了我国电力开发与电网建设只能是“西电东送，南北互供”，以三峡水电站为核心进行辐射。因此，我国的电网具有如下的特点：规模超大；距离超长；电力传输容量超大；拥有水力、火力超级发电中心与能源基地；拥有超重负载中心；能源中心与负载中心的联系非常薄弱；交、直流混合输电；多种控制装置混合等。这些特点决定了我国的市电电网将有可能会遇到严重的安全稳定问题。为了治理污染，提高电力系统的控制能力和输电能力，美国电力研究院于20世纪80年代提出了柔性交流输电系统（也有人译为灵活交流输电系统）（FlexibleACTransmission System，FACTS）的新概念。所谓柔性交流输电系统，其本质就是将高压大容量电力电子技术及现代控制技术，如静止无功补偿器（SVG）、电力有源滤波器（APF）、综合潮流控制器（Unified PowerFlowController，UPFC）应用到电力系统中，从而增强对电力系统的控制能力，提高原有电力系统的输电能力，治理电力系统的无功与谐波污染，提高电能质量，使电力系统高效、稳定、可靠地运行，使用户放心地用电。事实证明，加装先进的静止无功功率补偿器、电力有源滤波器与综合潮流控制器的办法是非常有效的，而装配这些设备，都需要用到高压大功率的SPWM多电平逆变器。这是当前电力系统的发展需要，也是必然的发展趋势。

2.高压大功率交流电动机变频调速的要求

在传统工业技术改造场合，高压大功率交流电动机变频调速技术正在被推广应用，并逐步取代直流电动机调速技术而占到了主导地位。在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路及船舶等领域中，也已广泛应用了大中容量的交流电动机调速系统。交流电动机调速系统的应用，不但可以节能，也可以使整个系统的性能达到最佳，从而改善工艺条件，提高生产效率，大大提高产品的质量。传统的两电平逆变器，由于其固有的缺点，如du/dt大、EMI大、开关频率高，逆变效率低，不适合于高压大功率应用等，不能很好地达到上述理想的效果。要达到这个效果，必须研究开发SPWM多电平逆变器。例如，传统两电平逆变器在应用于高压大功率输出时，除了少数低速场合采用AC-AC变频方式外，通常多采用AC-DC-AC变频方式。在这种方式中，有的将多个低压小容量的变频器通过变压器多重叠加技术得到高压大功率输出；也有的在交流输入和输出端分别用变压器进行降压和升压，中间环节仍然采用低压变频器。很显然，上述两种方法都采用了笨重、昂贵、耗电的变压器。对于第二种方法，在过程中还会出现中间环节电流过大，系统效率下降、可靠性降低、低频时能量传输困难等诸多缺点。为了克服这些缺点，人们采用了直接高压变换方式，这就对开关器件提出了很高的要求，如要求开关器件能承受很高的电压应力。通常的做法是将多个低压开关器件串联级叠加起来以提高电压的承受能力，这样做虽然在一定程度上降低了成本（几个低压开关器件的价格往往比一个同容量的高压开关器件便宜），但存在着静态和动态均压问题。均压电路将会导致系统复杂化、损耗增加、效率下降。因此，一种通过逆变器自身结构的改进或用FBI（H桥）直接串联级叠加的办法达到既不需要升、降压变压器，也不需要均压电路的高压大功率SPWM多电平逆变器应运而生，受到了人们的欢迎，解决了高压大功率交流电动机变频调速的难题。

3.节能的需要

我国当前能源十分紧张，但能源的浪费现象却十分严重。其中重要的原因是单位产值的能耗太大。据有关单位的统计，在我国，发电量的60%～70%用于驱动电动机做功，而由于其中90%的电动机是交流电动机，且大部分是直接拖动，再加上采用的是直接恒速拖动，所以每年造成的电能浪费很大。如果再考虑到电能从发出到传输和使用中的损耗，如调峰、励磁、网损、无功、谐波及各种用电设备上的自身浪费，全国总的耗能数量加起来是十分惊人的。例如，占工业用电30%以上的各种风机、泵类负载，全国有4700多万台，总功率约为1.3亿千瓦以上。由于此类负载的工况变化较大，如果采用交流电动机变频调速技术实现变频运行，节能效果将非常明显。假定平均节电按20%计算，全国一年节省的电能约为500亿千瓦时，相当于1500万千瓦发电站一年的发电量。此外，还可以节省数百亿元的电力建设费用，减少2000万吨的发电用煤，以及50万吨的二氧化硫和1200万吨的二氧化碳污染的排放。要实现交流电动机的变频调速运行，就必须采用SPWM多电平逆变器。因此，从节能的角度出发，现状也促进了SPWM多电平逆变器的研究和发展。特别是工业用的大功率风机、水泵，如钢铁工业用的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机；石油化工生产用的压缩机，电力工业用的给水泵、引风机；煤矿用的排水泵和排风机，以及城市自来水厂用的供水泵等，这些机械的驱动电动机都是400～40000 kW，3～10 kV的高压大功率交流电动机。这些设备由于没有调速功能，天天都在大量地浪费电能，所以被称做耗电巨大的“电老虎”。因此，开发高压大功率SPWM多电平逆变器，并由此组成交流电动机的变频调速节能装置，用于这些大功率风机及水泵，将会对我国的工业降低单产能耗产生重大意义。

从以上三个方面的分析可知，不管是为了提高电力系统的控制能力，治理电力系统的无功与谐波污染，还是提高交流电动机传动系统的节能效果和性能，达到提高生产效率和产品质量的效果，都必须研究开发和运用SPWM多电平逆变器。

4.轨道交通发展的需要

为了满足交通运输日益增长的需求，西方工业化国家从20世纪50年代就开始了大规模的现代化铁路建设。到 2002 年年底为止，据不完全统计，世界铁路的营业里程为1 185 518.5 km，其中已修建电气化铁路的有 65 个国家和地区，铁路总营业里程为1 080 464.5 km，电气化铁路总营业里程为261 688 km，电气化率已经达到了24.2%。而欧洲国家的电气化率达到了46%，其中瑞士的电气化率最高，达到了98%。

电力机车按照传动方式的不同可以分成两种，一种是直流传动，另一种是交流传动，前者采用的是直流电动机，后者采用的是交流异步电动机。直流传动的缺点是直流电动机的电刷需要经常维护更换，不利于高速运行，且直流电动机与交流异步电动机相比，在容量相同时体积和重量要大很多。而交流传动采用的是交流异步电动机，其优点是体积、质量较小，无须经常维护，故障率低，恒功率区比较大，可以高速运行，启动牵引力大，持续功率大，有利于重载高速牵引，电气制动容易，制动闸瓦的损耗小，可以利用制动反馈的能量达到节能节油的目的，经济效益高。此外，交流传动的一个最大优点是黏着性好，即由于交流传动具有很硬的机械特性，所以车轮不容易打滑或空转，电力机车的牵引和再生工况的功率因数接近于1，这不仅降低了电网的损耗，而且在再生制动时还可以将较高质量的电能反馈回电网，减少了电网对信号和通信系统的干扰。交流传动系统的上述优点受到了各国铁路运输部门的关注，得到了迅速的发展，现在已经基本上取代了直流传动系统。

此外，城市交流也采用了电力牵引技术，但一般采用的是直流馈电，而高速电气化铁路采用的是交流馈电，即通过变压器降压，再经过整流后逆变成交流电能来驱动异步电动机。当然，城市轨道交通也可以采用交流传动，只不过要将整流部分去掉，从技术上来说两者是基本相同的。

当前，我国正在大力地开展铁路电气化、城际高速铁路、城市轨道交通的建设。因此，从轨道交通发展的需要来说，也必须研究开发和运用SPWM多电平逆变器。