多電平高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與研究

高玥

(沈陽(yáng)市裝備制造工程學(xué)校，遼寧 沈陽(yáng) 110024)

1 前言

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，是從以低頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué)，向以高頻技術(shù)處理問(wèn)題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，隨著汞蒸汽、汞弧和真空電子管的發(fā)明，電力電子技術(shù)得以發(fā)展起來(lái)。50年代末60年代初隨著硅整流器件的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時(shí)代、逆變器時(shí)代和變頻器時(shí)代，并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。80年代末期和90年代初期發(fā)展起來(lái)的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時(shí)代。

上個(gè)世紀(jì)中，電力電子技術(shù)隨著功率開(kāi)關(guān)器件與變流器拓?fù)涞陌l(fā)展而發(fā)展。電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了不控和半控器件、電流全控器件、電壓全控器件和功率集成電路等若干階段。在60年代和70年代大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，主要?yīng)用于電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機(jī)車、電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車、地鐵機(jī)車、城市無(wú)軌電車等)和直流傳動(dòng)(軋鋼、造紙等)三大域領(lǐng)域。電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)的每一個(gè)改進(jìn)和創(chuàng)新都能馬上在實(shí)際工業(yè)和民用方面得到應(yīng)用，在改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、發(fā)展高新技術(shù)和高效利用能源中有著極其重要的作用。

2 多電平高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 普通雙電平逆變器

如圖1所示，普通雙電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。對(duì)于普通雙電平變頻器，當(dāng)以直流電源電壓的中點(diǎn)電壓Ud/2為參考電壓時(shí)，其負(fù)載中性點(diǎn)的電壓是脈動(dòng)的，脈動(dòng)的幅度為Ud/6。由于每個(gè)開(kāi)關(guān)管在工作時(shí)都需要承受Ud/2的直流電源電壓，所以這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接考驗(yàn)開(kāi)關(guān)管的耐壓值，并且整個(gè)系統(tǒng)的容量由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開(kāi)關(guān)管功率的影響不可能很大。所以采用這樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，為了獲得大容量只能依靠電力電子器件的串并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這種串并聯(lián)將會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如要解決靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓、均流等問(wèn)題。

圖1 普通雙電平變頻器逆變電路

2.2 三電平電壓源型逆變器

(1)二極管箝位式

三電平逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最早是由德國(guó)學(xué)者提出的，這種早期的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是為了改善電壓質(zhì)量、降低電壓諧波分量，而在二點(diǎn)式的基礎(chǔ)上，在中間直流回路增加了一個(gè)零電平。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每個(gè)橋臂由兩個(gè)全控型器件串聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)器件都反并聯(lián)了二極管。兩個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過(guò)箝位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連接。后來(lái)經(jīng)過(guò)發(fā)展，用功率二極管代替主開(kāi)關(guān)管，利用中間的主開(kāi)關(guān)器件將功率二極管引出的零電平加到輸出端上，從而利用功率二極管的箝位達(dá)到輸出電位相對(duì)于中間直流回路有3個(gè)值的目的。通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂?，三電平逆變電路輸出電壓諧波可大大少于雙電平逆變電路。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。三電平逆變器每一相主開(kāi)關(guān)管數(shù)與續(xù)流二極管數(shù)都為4，箝位二極管數(shù)為2，電容數(shù)為2，平均每個(gè)主管承受正向電壓為Ud/2。整個(gè)三電平逆變器三相主開(kāi)關(guān)管數(shù)與續(xù)流二極管總數(shù)為12，箝位二極管總數(shù)為6，電容數(shù)為2。

圖2 二極管箝位式三電平逆變器

與傳統(tǒng)的雙電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，二極管箝位式三電平逆變器沒(méi)有動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。在換相過(guò)程中，三電平逆變器的每個(gè)有源開(kāi)關(guān)均只承受總直流電壓的一半。無(wú)需額外的器件就可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓均衡。線電壓由五個(gè)電平組成，在相同的電壓容量和器件開(kāi)關(guān)頻率下，網(wǎng)側(cè)電流的總諧波失真和dv/dt比兩電平逆變器的低，能減少諧波和有效地降低開(kāi)關(guān)頻率，從而使系統(tǒng)損耗小。但需要額外的箝位二極管、較為復(fù)雜的PWM開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)以及中點(diǎn)電壓偏移問(wèn)題。

(2)電容箝位式

電容箝位式亦稱之為飛跨電容式。飛跨電容型三電平逆變器拓?fù)涞某霭l(fā)點(diǎn)之一，主要是為了除去二極管箝位型電路中大量的箝位二極管，但同時(shí)又引入了大量的懸浮電容。該電路的電壓合成更為靈活，即對(duì)于相同的輸出電壓，可以由不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合得到。這種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合的可選擇性，為飛跨電容電壓平衡提供了可靠性和靈活性。圖3所示的單相飛跨電容三電平逆變器，直流分壓電容 C1、C2，箝位電容 C3、C4、C5。

圖3 三相飛跨電容三電平逆變器

飛跨電容型多電平變換器的特點(diǎn)有:電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。階梯波調(diào)制時(shí)，器件在基頻下開(kāi)通關(guān)斷，損耗小，效率高?？煽?zé)o功和有功功率流，因而可用于高壓直流輸電和變頻調(diào)速。大量的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合冗余，可用于電壓平衡控制。但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需大量的箝位電容。且用于純無(wú)功負(fù)載時(shí)，存在飛跨電容電壓的不平衡。

2.3 單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器

單元串聯(lián)多電平高壓變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。其中的低壓功率單元將功率器件按全橋逆變結(jié)構(gòu)組成電路，基本單元其原理如圖4所示。

圖4 單元串聯(lián)多電平變頻器原理圖

單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器采用多個(gè)低壓PWM功率單元串接的新型結(jié)構(gòu)方式，各功率單元的額定功率和輸出電壓可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。6kV輸出電壓等級(jí)的變頻器的主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。功率單元為三相輸入、單相輸出的交－直－交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，將相鄰的低壓功率單元輸出端串接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)變頻器的高壓直接輸出。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器其中的一組二次繞組供電。如:6000V、1125kW變頻器可由每相串接5個(gè)三相共15個(gè)690V、75kW的功率單元疊加形成。

圖5 單元串聯(lián)主電路結(jié)構(gòu)

由五個(gè)功率單元串聯(lián)而成的高壓變頻器，其中每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/5的相電壓和1/15的輸出功率。當(dāng)每相由五個(gè)額定電壓為450V的功率單元串聯(lián)時(shí)，變頻器輸出相電壓為2250V、線電壓約為3.9kV;當(dāng)每相由五個(gè)額定電壓為480V的功率單元串聯(lián)時(shí)，變頻器輸出相電壓為2400V、線電壓約為4.2kV;當(dāng)每相由五個(gè)額定電壓為600V的功率單元串聯(lián)時(shí)，變頻器輸出相電壓為3000V、線電壓約為5.2kV;當(dāng)每相由五個(gè)額定電壓為1250V的功率單元串聯(lián)時(shí)，變頻器輸出相電壓為6250V、線電壓約為10kV。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高電壓的輸出不是直接輸出的，而是通過(guò)若干單元的輸出串聯(lián)后疊加得到的。這樣對(duì)于每個(gè)功率單元來(lái)說(shuō)，不必承受高壓，就可以采用低壓的功率器件。由于串聯(lián)的功率單元較多，所以對(duì)功率單元本身可靠性要求很高。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以采用額定電壓較高的功率單元，在滿足輸入輸出波形質(zhì)量的前提下，減少串聯(lián)的數(shù)量，以降低成本，提高可靠性。

單元串聯(lián)型多電平高壓變頻器具有對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形好等優(yōu)點(diǎn);但是也有使用功率器件多的缺點(diǎn)。

3 結(jié)論

如果按照單元串聯(lián)主電路形式拓?fù)錁?gòu)成的高壓變頻器可以解決兩個(gè)技術(shù)難題:

(1)每一個(gè)功率單元都是一個(gè)小型的低壓變頻器，每相的電壓由功率單元的輸出電壓疊加而成，當(dāng)一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障后，只會(huì)使相電壓降低，通過(guò)旁路切除后系統(tǒng)能繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)單元損壞而導(dǎo)致其他單元損壞的連環(huán)故障，所以說(shuō)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性高。

(2)此種方式的高壓變頻器解決了對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題，功率因數(shù)高。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器，它是每相由多個(gè)低壓變頻功率單元相互串聯(lián)通過(guò)疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出。功率單元供電的二次繞組相互存在一個(gè)相位差，以實(shí)現(xiàn)輸入電壓多重化。

這樣基于單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)研究出一種適合三相異步高壓電動(dòng)機(jī)調(diào)速的單元串聯(lián)多電平SPWM電壓型高壓變頻器。將有助于進(jìn)行高壓SPWM電壓型變頻器的設(shè)計(jì)﹑制造及進(jìn)行性能分析，并盡可能推動(dòng)高壓變頻調(diào)速在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化，提高我國(guó)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力。

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