学术简报︱单相级联七电平逆变器拓扑结构及其控制方法
西安理工大学自动化与信息工程学院、西安理工大学陕西复杂系统控制与智能信息处理重点实验室的研究人员张琦、李江江、孙向东、安少亮，在2019年第18期《电工技术学报》上撰文，针对传统多电平逆变器结构复杂等问题，提出一种单相级联七电平逆变器拓扑及其控制方式。
该逆变器由三电平Boost电路和六开关逆变电路构成，利用三电平Boost电路调节中点电位，使得中间母线电容电压占比为1 2，为实现七电平输出提供电位条件。相对于传统多电平拓扑，该拓扑使用较少的开关器件，简化了电路结构。
由于中间母线电容电压控制效果是系统可靠运行的关键，所以在讨论电路拓扑的运行机理的基础上，建立直流侧电压控制系统数学模型，并据此提出一种电压控制方法，从而实现逆变器控制系统的有效运行。最后，借助系统仿真与实验验证了所提电路拓扑的可行性以及理论分析的正确性。
相对两电平逆变器来说，多电平逆变器在减小无源元件体积和降低开关电压应力等方面表现出很大优势，因此，在关于多电平逆变器的研究和应用方面一直在持续进行。多电平逆变器本质上是通过控制串联在直流电源上的功率开关来产生高质量的阶梯电压波形。而输出电能质量则随着电平数的增加而提高，但这也会导致功率开关数量的增加，从而会增加系统成本和控制复杂性并降低整体效率。
近年来，应用最广泛的多电平逆变器拓扑主要是H桥级联型（Cascaded H-Bridge, CHB）、二极管中点钳位型（Neutral Point Clamped, NPC）和飞跨电容（Flying Capacitor, FC）型三类多电平逆变器电路。随着电平数增长，NPC电路需要大量钳位二极管，且需要对母线中的多个电容电压进行均压控制。
飞跨电容型多电平电路需要大量的悬浮电容，不利于减小系统体积和提高可靠性，而且对多个电容电压平衡控制加大了控制复杂度。对于H桥级联型电路，则大大增加了曲折联结变压的二次侧线圈数量。这些因素都制约了这些拓扑向更高电平推广。
为了能够解决这些传统多电平所存在的上述问题，许多学者相继提出多种针对不同应用场合的改进型多电平逆变电路。有源中点钳位（Active NPC, ANPC）拓扑使用可控的开关器件代替钳位二极管，提高了系统控制自由度，弥补了二极管钳位型拓扑和电容钳位型拓扑的电容电压不平衡的缺点。
混合级联型多电平逆变器将多个不同输入电压H桥单元进行级联，或者是将不同的电路拓扑单元进行级联实现多电平系统。混合级联逆变器相比传统CHB电路，能以较少的开关管和直流电源实现更多的电平输出。
模块化多电平变换器（Multilevel Modular Converter, MMC）是一种新型级联型多电平变换器，它除了拥有CHB的优点外，只需单一直流电源供电，不需要输入变压器就可以实现高压输入和高压输出。
此外，还有一些其他混合类型多电平逆变器。而这些新型逆变器主要是应用在高压大容量场合，逆变器拓扑结构仍相对复杂，有源开关管以及无源器件使用得比较多。而在航空航天电源、分布式光伏发电、不间断电源等领域则要求逆变器具有高功率密度和高效率等特点。
针对这些应用领域，有学者分别提出了简化的电路结构实现单相多电平输出，但是需要增加中点平衡电路或者使用复杂的中点电位平衡算法。有学者提出基于开关电容原理的多电平逆变器，该类电路具有电容自均压、相对开关频率低、电路结构简化等优点，但存在电流应力大、输出功率限制等缺点。
本文在对多种新型多电平逆变电路分析的基础上，提出了一种单相级联七电平逆变器。从电路结构和工作原理的角度分析所提出的逆变器，采用载波层叠脉宽调制（Pulse-Width Modulation, PWM）策略，减少低次谐波含量。
在前级电路分别设置一个直流电压环和一个电容偏差电压环，调节中间母线电压及电容电压比，当电容电压比控制为1 2时，就能够稳定输出七电平。在直流电压控制器中引入输出电流前馈控制，用于减小母线电压中二倍工频纹波电压，从而降低输出电压畸变率。最后对提出的逆变器电路以及相应的控制策略进行了仿真和实验验证。
图15 七电平逆变器实验样机
本文提出了一种单相级联七电平逆变器。该逆变器拓扑利用少量的开关器件实现多电平输出，简化了逆变器拓扑结构，且利用升压电路拓展了逆变器的输入电压范围。
由电路工作原理分析得知，电容电压的控制效果是逆变器可靠运行的关键，通过分析得到TL-Boost电路小信号模型，针对该系统模型的特征，进行合理简化后，降低了模型复杂度。采用直流电压环和电容偏差电压环分别控制母线电压和电容电压占比，以此降低了控制复杂度，且达到理想控制效果。
针对逆变器的二次纹波影响，直流电压环采用基于输出电流前馈的双闭环控制策略，减小了直流电压中二次纹波，实现了直流电压稳定。通过系统仿真与实验结果验证了所提电路拓扑的可行性以及理论分析的正确性。