电源技术中的混合级联型多电平变换器的谐波分析

摘要：线联型多电平变换器是一种适用于高压大功率变换的新型变换器，其中混合线联型多电平变换器能够用少量的模块单元（开关器件）实现尽可能多的电平数。本文首先研究了适用于混合型多电平变换器的两趾控制策略，然后计算比较了在不同控制策略下混合型多电平变换器输出电压波形的谐波分布，并用仿真和实验结果加以证明，最后指出了阶梯波调制法和复合调制策略各自的优越性，为混合级联型多电平变换的设计应用提供理论依据。 　　1 引言 　　近年来，在高压大功率变换场合，一种新型变换器——级联型多电平变换器引起人们越来越多的关注。级联型多电平变换器是由若干个模块单元串联而成，其基本结构如图1所示，而全桥电路是最常用的模块 在电力电子技术的发展历程中，高压大功率变换技术一直是推动电力系统、工业电源等领域进步的关键技术之一。近年来，随着电力电子技术的不断创新，混合级联型多电平变换器以其独特的性能优势，引起了广泛的关注。这种变换器不仅可以实现高压和大功率的转换，而且在输出电平的控制上具有极高的灵活性和高效率。本文将深入探讨电源技术中的混合级联型多电平变换器的谐波分析及其控制策略，揭示其在高压大功率转换中的重要应用价值。 混合级联型多电平变换器的核心结构由多个模块单元串联而成，这些模块单元通常采用全桥电路作为基本模块单元。正是这种级联结构的设计，使得混合级联型多电平变换器能够通过较少的模块单元，实现多种电平输出。在实际应用中，这意味着可以降低系统的复杂性，并且显著减少了所需的开关器件数量，进而有效降低了系统的体积和成本，提高了可靠性。 混合级联型多电平变换器在运行过程中，会产生一系列的谐波。这些谐波如果不加以控制，会对电网造成污染，降低电能质量，甚至可能对电力设备造成损害。因此，研究其谐波分布和相应的控制策略是优化变换器性能的重要步骤。本文首先研究了适用于混合级联型多电平变换器的两趾控制策略，并进一步计算和比较了在不同控制策略下变换器输出电压波形的谐波分布情况。 在控制策略方面，本文重点介绍了两种方法：阶梯波调制法和复合调制策略。阶梯波调制法通过叠加各个模块单元的输出电压，生成接近正弦波形的输出，这种策略的优点在于操作简单且实用性高。在理论分析中，通过傅立叶级数对输出电压的谐波进行了详细分析，结果表明电平数越多，谐波畸变率越低。然而，这种方法的一个缺点是，大部分谐波集中在较低频率范围内，可能对电网造成较大的影响。 与阶梯波调制法相比，复合调制策略结合了高频PWM和低频方波调制，提供了更精细的控制，能够消除特定的谐波频率，从而提高输出电压的品质。由于其既注重控制效率又兼顾低谐波特性，复合调制策略特别适合于那些对谐波有较高要求的应用场景。通过仿真和实验，本文验证了复合调制策略在谐波控制上的优势，同时也指出了阶梯波调制法在基本电平控制上的有效性。 混合级联型多电平变换器凭借其独特的结构和控制策略，在高压大功率变换领域具有重要的应用潜力。通过合理选择控制策略，可以有效地管理和控制输出谐波，确保变换器在不同应用场景中的性能表现。阶梯波调制法和复合调制策略各具特色，各自适应于不同的应用需求，为设计者提供了灵活的选择。未来，随着电力电子技术的进一步发展，混合级联型多电平变换器将在电力系统和工业电源等领域发挥更加关键的作用，为提升电力系统的稳定性和电能质量做出更大贡献。