1.2 发展过程和应用领域

1.2.1 SPWM多电平逆变器的发展过程

1977年，德国学者Holtz提出来了一种三电平逆变器的雏形，即在两电平半桥式逆变器的基础上加入了开关管辅助钳位电路，从而得到了三电平电压输出。1980年，日本长冈科技大学的南波江章（A.Kira Nabae）等人对其进行了改进，在IEEE工业应用（IAS）年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器，这才开始进入到多电平逆变器的研发阶段。由于电力系统的发展，高压大功率交流电动机变频调速器的发展和环保节能的需要，又促使高压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。随着南波江章二极管钳位式三电平逆变器的出现，1983年，P.M.Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。1999年，Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位式多电平逆变器。1992 年，法国学者T.A.Meynard和H.Foch提出了电容钳位式多电平逆变器。2000年，FangZ.Peng综合了多种钳位式多电平逆变器（如二极管钳位式、电容钳位式及二极管与电容混合钳位式多电平逆变器）的特点，然后在IEEE工业应用（IAS）年会上提出了通用式多电平逆变器电路，这种电路可以不借助附加电路来抑制直流侧分压电容上电压的偏移，从而从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的电路形式——以电容钳位的半桥式电路为基本单元构成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。1988年，M.Marchesoni等人提出了具有独立直流电源的级联式多电平逆变器。2000年，M.D.Manjrekan等人提出了单相全桥式逆变器（FBI或H桥）直接串联式多电平逆变器。2007年，我们提出了SPWM直流电源级联式多电平逆变器，这是对多电平逆变器原理的一种革命性的改革，其特点是将SPWM控制从逆变开关移到了直流电源上，并采用了SPWM直流电源的级联叠加，这种改革可以显著减少开关管的数量，也使逆变开关自然地工作在ZVS状态，从而降低了成本，减少了开关损耗，增加了可靠性。有关这种新型的多电平逆变器，将在第5章和第6章进行重点介绍。

1.2.2 SPWM多电平逆变器的应用领域

SPWM多电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，具有很多优点，如控制方式灵活、输出电压的相位和幅值便于调节控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格便宜的低频高耐压大功率的开关器件、适合于高压大功率输出等。因此，它在各种高压大功率电能变换领域中的AC/DC变换、DC/DC变换和DC/AC变换中得到了广泛应用，但主要仍应用在高压大功率交流电动机的变频调速、直流输电和电能质量综合治理，以及超导储能、轨道交通、感应加热和大功率不间断电源（UPS）等领域。同时，它在清洁能源的利用上也可以起到重要作用，如风力发电和太阳能发电都可以通过高压多电平逆变器入网。随着大量电力电子装置的普及使用，以及变压器、交流电动机、整流器、荧光灯等非线性感性负载的比例增加，市电电网受到无功功率与谐波的污染日益严重，而无功功率补偿器和电力有源滤波器也向着高压大功率的方向发展。因此，多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用前景。高压大容量交流电动机的变频调速系统，是多电平逆变器的另一个重要应用领域，在城市自来水厂用的供水泵，电厂用的给水泵、引风机、水泵，钢厂轧钢用的大容量交流电动机拖动、制氧机、除尘风机，石油工业用的压缩机，煤矿用的排水泵、排风扇，交通运输用的电力机车，船舶用的电力推进系统，轨道交通用的机车牵引系统等场合，采用多电平逆变器的变频调速系统不仅可以节省大量的能源，提高生产效率，而且还可以实现重载和高速列车的牵引。总之，在当前我国国民经济高速发展的今天，多电平逆变器将有着广阔的应用前景。当前研究的重点是以下三个方面的应用，其中在前两个方面的应用最重要。

（1）在电力系统中，作为直流输电的高压整流器和高压逆变器使用，以及作为治理无功与谐波污染的静止无功功率发生器与电力有源滤波器的主电路使用。

（2）在高压大功率传动机械或高压大功率交流电动机变频调速系统中作为整流器与逆变器使用，如应用于工业风机或泵类的变频调速系统及用做轨道交通系统的牵引动力。

（3）作为大功率UPS的逆变器使用，以减少输出电压中的谐波，减少或省掉交流滤波器，提高UPS的反应速度。