智能電網(wǎng)的發(fā)展和可再生能源的使用對能源提出了更高的“質(zhì)量”要求，例如減少諧波，以及平衡電網(wǎng)中有功和無功功率的可能性，因此靜態(tài)補償器（STATCOM）應(yīng)用過的。簡而言之，它們由動態(tài)提供無功功率支持的電力電子設(shè)備組成，有助于在負(fù)載或發(fā)電波動期間穩(wěn)定電壓水平。通常，它們位于高壓側(cè)（30 kV 至 150 kV 及以上），并通過使用直流母線背靠背連接受控整流器和逆變器而制成。
　　由于電子開關(guān)的特性有限，經(jīng)典橋式整流器和兩電平逆變器不適合處理高電壓。直到幾十年前，才使用同步旋轉(zhuǎn)電機。然而，基于“多電平轉(zhuǎn)換器”的原理，開發(fā)了新穎的開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其中交流電壓是由幾個較小的發(fā)電機的總和生成的（事實上，我們處理的是電容器，無論它們在所使用的拓?fù)渲腥绾芜B接） ）。由于三相系統(tǒng)中用于 AC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，因此當(dāng)僅開關(guān)模式不同以管理不同的能量流時，我們可以更籠統(tǒng)地稱為“轉(zhuǎn)換器”而不是逆變器或整流器。
　　成本的降低和材料技術(shù)（即 SiC/GaN IGBT 和MOSFET）的改進(jìn)使得這些轉(zhuǎn)換器對于電壓約為 1 kV 的應(yīng)用也很有趣，例如電動汽車 (EV) 中的牽引（實際上 800 V）或電池充電器。　　直觀地說，使用更多的串聯(lián)開關(guān)可以減少每個設(shè)備上的電壓應(yīng)力，并且通過多個步驟合成電壓可以減少諧波，但由于電路和控制的復(fù)雜性增加，因此需要考慮一些缺點。

　　為了理解這個概念，我們將了解什么是多電平轉(zhuǎn)換器，重點關(guān)注最早實現(xiàn)的拓?fù)渲唬赡苋匀恢饕糜诮?jīng)濟高效且電壓不那么高的應(yīng)用）：中性點鉗位多電平逆變器。為了簡單起見，下文中僅提及逆變方式，無需研究如何進(jìn)行控制來實現(xiàn)整流。
　　讓我們檢查一下連接到 Vdc 值直流母線電壓的逆變器的典型支路。在圖 1 中，它展示了從一系列電容器開始生成多個電壓電平的理論原理，通過提供對每個電容器的端子（稱為節(jié)點）的訪問。串聯(lián)電容器作為逆變器的儲能系統(tǒng)，同時也提供多個連接節(jié)點。許多拓?fù)溆糜趯⒐?jié)點連接到輸出，每種拓?fù)涠加袃?yōu)點和缺點。
　　　圖 1：兩電平和六電平逆變器　　每個電容器在其端子上具有相同的電壓，由以下等式表示：

　　從高壓到電動汽車應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器：NPC 多電平逆變器分析
　　其中n表示級數(shù)，或者另一方面，表示與直流母線相關(guān)的逆變器可用的各個節(jié)點。因此，設(shè)計用于n級的反相器通常需要n -1 個電容器。
　　中性點鉗位多電平逆變器 (NPCMLI) 通過串聯(lián)半導(dǎo)體開關(guān)并使用鉗位二極管關(guān)閉從請求節(jié)點到輸出的路徑來生成多電平電壓波形。圖 2 顯示了 5 級 NPCMLI 的一條腿。
　　　圖 2：5 級 NPCMLI 腿
　　可以根據(jù)電路中的級數(shù) (m)、電容器 (n)、開關(guān) (l) 和鉗位二極管 (j) 建立關(guān)鍵關(guān)系：
　　n=m-1
　　l=2(m-1)
　　j=(m-1)(m-2)
　　不難理解，隨著級數(shù)的增加，電路的復(fù)雜度隨著開關(guān)和二極管的數(shù)量而迅速增加。對于大量級別，已經(jīng)開發(fā)了其他拓?fù)洹?br>　　到目前為止，我們將分析三電平 NPCMLI，要么是為了簡單起見，要么是因為它是逆變器相對于兩電平逆變器的第一次改進(jìn)。
　　圖 3 顯示了一個三級 NPCMLI 綜合控制電路的方案。
　　我們將第一次了解多電平輸出是如何產(chǎn)生的，然后我們將解釋如何驅(qū)動電路以獲得所需的電壓。
　　　圖 3：具有 PWM 控制的三電平 NPCMLI　　將系列中從底部到頂部的四個開關(guān)命名為 S1..S4。通過利用二極管“打開”其中兩個串聯(lián)，我們可以將該相連接到所需的節(jié)點，如圖 4 所示（紅色為電流路徑）。

　　
　　圖 4：三電平 NPCMLI 中的相電壓　　下表總結(jié)了基于開關(guān)狀態(tài)的相電壓合成。請注意，對于輸出電壓的每次變化，只有兩個開關(guān)改變其狀態(tài)。

　　從高壓到電動汽車應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器：NPC 多電平逆變器分析
　　對于兩電平逆變器，因為我們會在負(fù)載上產(chǎn)生正弦電壓，所以我們可以使用 PWM 技術(shù)，對于載波信號的每個周期，獲得與所需正弦值（調(diào)制信號）成比例的平均值。　　為了實現(xiàn)這一結(jié)果，存在許多方法。最簡單的方法是通過將調(diào)制正弦波與更多載波進(jìn)行比較，每個載波對應(yīng)一個電壓間隔。對于三電平轉(zhuǎn)換器的情況，我們有兩個間隔，因此只需要兩個三角波：一個從 0 到 1/2，另一個從 1/2 到 1。調(diào)制信號是正弦波，偏置為 1/2，幅度為 ma (調(diào)幅指數(shù)）。每次將正弦波與兩個載波進(jìn)行比較，并且對于每個電平，輸出電壓值計算如下：

　　從高壓到電動汽車應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換器：NPC 多電平逆變器分析
　　其中，“m”為調(diào)制信號，“c 1 ”和“c 2 ”為載波，step為函數(shù)，當(dāng)括號中的差值為正時，其值為“1”，否則為“0”。
　　通過使用像上面這樣的查找表，可以確定每個開關(guān)的柵極信號。
　　通過使用PLEXIM 的電力電子系統(tǒng)仿真平臺PLECS，我們可以確定相電壓和線電壓。正如預(yù)期的那樣，相電壓發(fā)生變化，在 0 和 Vdc/2 之間的調(diào)制正弦波的一半周期內(nèi)使用三電平 PMW 調(diào)制，在 V dc /2 和 V dc之間的另一半周期內(nèi)使用三電平 PMW 調(diào)制，如圖 5 所示。
　　　圖 5：相電壓
　　與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，我們觀察到線電壓更接近正弦波形。這表明，即使沒有嚴(yán)格的證據(jù)，這些系統(tǒng)中的諧波含量也會減少。通過增加電壓電平的數(shù)量，我們可以實現(xiàn)更精確的正弦波近似。因此，線路濾波器的設(shè)計變得更加簡單，因為需要減輕的諧波更少。
　　使用更多電壓電平的另一個優(yōu)點是施加到每個開關(guān)的電壓低于總電壓。因此，開關(guān)期間的 dV/dt 會降低，這不僅會降低開關(guān)上的應(yīng)力，還會最大限度地降低開關(guān)損耗和電磁干擾 (EMI)。
　　除了提到的好處之外，還有一些挑戰(zhàn)需要考慮。隨著級數(shù)的增加，電路變得更加復(fù)雜并且元件成本更高。此外，先進(jìn)的控制策略是必要的，這會使系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)進(jìn)一步復(fù)雜化。