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燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室的研究人员王立乔、韩胥静、李占一、杨彬，在2022年第1期《电工技术学报》上撰文，提出一种新型飞跨电容型多电平逆变器，该逆变器由Zeta变换器进行演变推导而得，具有可升降压、电容可自均压、钳位器件少、拓扑延展性好等优点，克服了传统多电平逆变器在应用方面的局限性。
在大容量变换器领域，多电平逆变器具有其独特的优势，只需采用低压小功率器件即可完成大功率电能转换，交流侧电压的总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）可通过增加输出电平数得到有效降低，为设计滤波器提供便利，且输出侧电压跳变较小，避免了瞬时过大的du/dt对器件的危害。因此，多电平逆变器不但广泛应用于可再生能源发电以及大容量交流传动系统，并且适用于高压输电系统、电能质量控制等领域。
传统的多电平逆变器主要包括飞跨电容（Flying-Capacitor, FC）型、中点钳位（Neutral Point Clamped, NPC）型及级联H桥（Cascade H-Bridge, CHB）型，然而这三种基本拓扑均存在一定的不足，限制了其在一些特殊场合的应用。
中点钳位型和飞跨电容型多电平逆变器需要对分压电容电压进行均衡控制，增加了系统控制难度，且向更多电平扩展时，需要大量的钳位器件；级联H桥型多电平逆变器虽然不存在直流侧均压问题，但需要大量独立直流电源，成本较高。此外，这三种逆变器均属于降压型逆变器，应用于风能、太阳能等输入电压宽范围变化的场合时存在局限性。
针对传统多电平逆变器的缺陷，学界提出了许多新型多电平逆变器拓扑结构，如以双Buck逆变器为基本单元的飞跨电容型双Buck多电平逆变器、混合钳位四电平逆变器、单相级联七电平逆变器、单电源九电平逆变器等。这几种逆变器虽然在电容均压控制、拓扑延展性方面具有一定优势，但仍只能够实现升压或降压逆变。
为实现多电平逆变器升降压能力，目前主要有几种形式的解决方案：
一是将无源阻抗网络加入到传统多电平变换器拓扑的前端。有学者在传统二极管中点钳位型多电平变换器的基础上加入Z源网络，构成一种可升降压的多电平逆变器，此方案不但引入数值较大的电感、电容等无源元件，而且需要的钳位器件数量较多，拓扑结构复杂，另外需要采用相应的控制算法实现电容电压的均衡控制。
二是采用两级结构兼顾升降压功能。有学者在传统级联H桥每个模块前增加一级可升压的DC-DC变换器，将输入直流电压升高，从而使电路具有升压能力，但加入DC-DC环节增加了系统成本，降低了可靠性和效率。
三是从分析构成多电平变换器的基本结构单元出发，传统电压型逆变器无法实现升降压逆变的根源在于其多由Buck斩波器演变而来，升降压斩波器中的Cuk和Zeta变换器为脉冲电压源型，可以作为基本单元扩展成为多电平逆变器。有学者提出了一种单级非隔离型双Cuk多电平逆变器，以Cuk变换器作为基本单元，具有升降压能力，但是该电路中无源器件较多，可靠性不高。
燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室的研究人员在分析现有多电平变换器结构的基础上，结合Zeta变换器特点，提出一种基于Zeta的新型飞跨电容型多电平逆变器。该拓扑通过将基本单元在输入侧并联、输出侧串联组合而成，中间电容器与输出滤波器采用复用原则，减少了无源器件数量，可实现单级升降压逆变，且具有电容自均压、扩展能力较强的优点。在新能源发电等需要宽电压输入的应用场合具有一定的价值。
他们以Zeta五电平逆变器作为研究对象，介绍其调制方式及各个工作模态，分析了该逆变器正常工作时的开关器件应力、电容自均压的实现、升降压能力以及拓扑的扩展能力，并对Zeta五电平逆变器进行了仿真证明。最后搭建实验样机，验证了理论分析和仿真结果的正确性。
研究人员最后指出：
1）新型飞跨电容型Zeta多电平逆变器采用容易实现的单极式载波相移调制策略，在相同载波频率的情况下将其开关频率等效提高，同时使其交流侧输出电压的谐波畸变率有效降低。
2）该多电平逆变器只采用单级结构即可完成升降压功能，克服了传统多电平逆变器只能升压或降压的局限，适用于输入电压宽范围变化的应用场合。
3）该逆变器电容具有自均压能力，不需要复杂的均压控制，且与传统多电平逆变器相比，所需钳位器件较少，更易于扩展为多电平逆变器。
本文编自2022年第1期《电工技术学报》，论文标题为“一种新型飞跨电容型Zeta多电平逆变器”，作者为王立乔、韩胥静 等。
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