級聯(lián)型中高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)及工作原理

　　 宋國慶，男，漢族，安徽樅陽人，工科學(xué)士，工程師，安徽頤和新能源科技股份有限公司職工。
　　 摘要：級聯(lián)型中高壓變頻器將若干個獨立的低壓功率單元的輸出串聯(lián)，實現(xiàn)高壓輸出。電網(wǎng)電壓經(jīng)過移相變壓器降壓后給功率單元供電，每個功率單元分別由輸入隔離變壓器的一個二次繞組供電，變壓器二次繞組之間相互絕緣。功率單元為三相輸入的整流電路和單相輸出的交-直-交電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，將相鄰的功率單元串聯(lián)起來構(gòu)成單相，三相輸出Y型聯(lián)結(jié)。
　　關(guān)鍵詞：中高壓變頻器功率單元逆變器變壓器
　　中圖分類號：TN77文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2011）06（c）-0000-00
　　
　　級聯(lián)型中高壓變頻器將若干個獨立的低壓功率單元的輸出串聯(lián)，實現(xiàn)高壓輸出。5個功率單元串聯(lián)輸出6KV電壓的原理如圖1(a)所示，主電路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過移相變壓器降壓后給功率單元供電，每個功率單元分別由輸入隔離變壓器的一個二次繞組供電，變壓器二次繞組之間相互絕緣。功率單元為三相輸入的整流電路和單相輸出的交-直-交電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，將相鄰的功率單元串聯(lián)起來構(gòu)成單相，三相輸出Y型聯(lián)結(jié)。
　　功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器的輸出電壓，功率單元的輸出電流決定變頻器的輸出電流。
　　由于采用整個功率單元串聯(lián)，所以不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題，也不存在二極管嵌位電路或電容嵌位電路引起的直流側(cè)分壓電容電壓不均衡問題，但是串聯(lián)功率單元較多，對單元本身的可靠性要求較高。這種變頻器的一個發(fā)展方向是采用額定電壓較高的功率單元串聯(lián)，在達到滿足輸入、輸出波形質(zhì)量要求的前提下，盡量減少單相串聯(lián)單元的個數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性。
　　 由于中高壓變頻器容量一般較大，且應(yīng)用日趨廣泛，對電網(wǎng)諧波污染的問題已經(jīng)不可忽視，國際上對諧波污染控制的標準中，應(yīng)用較普遍的是IEEE519-1992，我國也有相應(yīng)的諧波控制標準，應(yīng)用較為廣泛的是國標GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。IEEE519-1992標準規(guī)定在電網(wǎng)短路電流小于20倍負載電流時總諧波電流失真小于5%。變頻器對電網(wǎng)的影響主要取決于變頻器整流電路的結(jié)構(gòu)和特性。在變頻器中常用的是電壓型二極管整流電路，它的輸入諧波電流取決于電網(wǎng)側(cè)阻抗和直流電抗器的大小，由于采用二極管不可控整流，換相在對應(yīng)線電壓最小時才發(fā)生，導(dǎo)致di/dt非常小，由于換相重疊角與輸入電抗有關(guān)，當電源側(cè)阻抗較大時，換相更加緩慢，使高次諧波電流相對于晶閘管整流電路大大降低，但與規(guī)定的5%的諧波電流失真率相比仍然較大。為了解決這一問題，有以下三種解決辦法：
　　(1) 在整流橋輸出和濾波電容之間串入直流電抗器，這樣可以減少輸入電流的諧波含量，然而也會帶來弊端，影響濾波電容對變壓器輸入浪涌電壓的吸收效果。
　　(2) 利用多重化整流電路減小輸入電流的諧波。采用12脈波整流電路后，其網(wǎng)側(cè)電流僅含 次諧波，諧波含量隨諧波次數(shù)的增大而迅速下降，也隨脈波數(shù)的增大而減少，因此電流諧波含量會大大降低。除了6脈波、12脈波整流電路結(jié)構(gòu)外，還可采用更高脈波數(shù)的結(jié)構(gòu)，如18脈波、24脈波，輸入諧波也會隨著降低，但導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，成本增加。
　　
　　(3) 整流側(cè)采用PWM 整流電路，通過PWM控制使電網(wǎng)輸入電流接近正弦波，諧波電流很低，但大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本 。
　　如果級聯(lián)型中高壓變頻器的輸入變壓器僅僅起到隔離和變壓的作用，各繞組的相位一致，將導(dǎo)致輸入電流的諧波含量超過給定標準，對電網(wǎng)造成嚴重污染。因此，一般級聯(lián)型中高壓變頻器的輸入變壓器采用移相設(shè)計，以達到降低輸入諧波電流的目的。對單相 個功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，變壓器的 個繞組采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，依次相差 電角度，分別給 個單元供電，形成 脈波的整流電路。各單元流過整流電路的電流經(jīng)過變壓器折算到一次側(cè)后，輸入電流中僅含諧波 次諧波，大大減少了輸入電流的諧波含量，假定5個功率單元串聯(lián)，形成30脈波的整流電路，網(wǎng)側(cè)電流僅含 次諧波，總的電流失真率可低于1%，不加任何濾波器就可滿足電網(wǎng)對電流諧波失真的要求。另外，各次諧波電流的有效值與諧波次數(shù)成反比，與基波電流的比值是諧波次數(shù)的倒數(shù)。在相同負載的情況下，多重化整流電路的基波電流與電壓的相位差的余弦值即位移因數(shù)都是 ，不隨整流脈波數(shù)的增加而提高，但基波因數(shù)隨脈波數(shù)的增加而提高，所以總體輸入功率因數(shù)也相應(yīng)提高。對于二極管整流電路而言，相電流相對于相電壓的延遲角 一般小于 ，對應(yīng)的位移因數(shù)大于0.966，所以采用多重化(18脈波以上)的二極管整流電路，總的輸入功率因數(shù)基本上可保持在0.95以上。
　　采用二極管整流電路的另一個優(yōu)點是變頻器對浪涌電壓的吸收能力較強，雷擊或操作過電壓可以經(jīng)過變壓器(變壓器的阻抗一般為8%左右)產(chǎn)生浪涌電流，經(jīng)過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進入到單元內(nèi)的浪涌能量。另外，變壓器一次側(cè)安裝了壓敏電阻吸收裝置，起到進一步的保護作用。而一般的電流源型變頻器，輸入電阻很高，對浪涌電壓的吸收效果遠不如電壓型變頻器。
　　因此，由于采用了多重化整流電路，級聯(lián)型中高壓變頻器的輸入功率因數(shù)較高，串聯(lián)單元的個數(shù)越多，對電網(wǎng)的污染越小，當然，單元個數(shù)的增多也增大了變壓器的制造難度。
　　
　　2逆變電路結(jié)構(gòu)
　　2.1傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平逆變電路
　　傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平逆變電路是指多個同樣的單相電壓型H橋直接串聯(lián)(以后稱單相H橋)。單相級聯(lián)型主電路，當 時，稱為傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平逆變電路。除了具有多電平共同的優(yōu)點之外，這種電路的主要特點還有：
　　(1) 直流側(cè)采用獨立直流電源，不存在電壓均衡問題。
　　(2) 對于輸出相同的電平數(shù)，與其它拓撲結(jié)構(gòu)相比，所需器件個數(shù)最少。
　　(3) 實際應(yīng)用中，嵌位式電路在五電平以上的應(yīng)用較少，而級聯(lián)型可以產(chǎn)生更高電平，使用于更高電壓，諧波含量更少，由N個單相H橋組成三相電路，輸出相電壓電平個數(shù)是2N+1，線電壓電平個數(shù)是4N+1。
　　(4) 控制方法比較簡單，每個單相H橋都是PWM控制，再進行波形重組。
　　(5) 由于每個單相H橋結(jié)構(gòu)相同，給模塊化設(shè)計帶來方便，且裝配簡單，系統(tǒng)可靠性高。另外，容易實現(xiàn)冗余設(shè)計，一個單元出現(xiàn)故障而被旁路后，可以用剩余模塊降額運行或用冗余模塊代替繼續(xù)滿額運行。
　　 (6) 單元串聯(lián)主要的缺點是需要多個獨立的直流電源，變壓器造價較高，應(yīng)用受到一定限制。
　　2.2混合級聯(lián)型多電平逆變電路
　　為了減少單元模塊個數(shù)的同時增加輸出電壓的電平數(shù)和提高波形質(zhì)量，許多學(xué)者提出了混合級聯(lián)型多電平逆變電路，主要包括兩種情況，一是各個級聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓不同，二是級聯(lián)單元的逆變結(jié)構(gòu)不同。級聯(lián)單元的逆變結(jié)構(gòu)可以有多種結(jié)構(gòu)，包括單相H橋、二極管嵌位式多電平、電容嵌位式多電平等，這些結(jié)構(gòu)相互組合可以構(gòu)成不同的級聯(lián)型多電平逆變電路，再與不同的直流側(cè)電容電壓進行組合，得到更多種類的拓撲結(jié)構(gòu)。本文只對其中應(yīng)用較廣的幾種結(jié)構(gòu)進行分析。
　　首先介紹一下最大擴展原則。如果已知串聯(lián)的單元個數(shù)和每個單元輸出的電平數(shù)，就可以根據(jù)最大擴展原則來確定逆變器獲得最多電平數(shù)輸出時，各個單元直流側(cè)電容電壓的比值。最大擴展原則如下所述：對于由 個級聯(lián)單元串聯(lián)構(gòu)成的單相多電平變換器，若每個單元輸出的最大電平數(shù)為nj (i=1，2，…，m)，那么當各個單元的直流電壓按式(1)設(shè)置時，可得到最大輸出電平數(shù)n，如式(2)：
　　 以2個單元均為單相H橋(2-H橋)為例， 2個單元輸出的最大電平數(shù)都是3，利用最大擴展原則，當 時，可得到最大電平數(shù)的輸出 =9。因此，為了得到更大電平數(shù)的輸出，當各單元的獨立直流電源的電壓比是和 時，分別稱為 型和 型混合級聯(lián)結(jié)構(gòu) ，可看作是應(yīng)用最大擴展原則的一個特例，但電壓比為1：4 或更高時，輸出電平中會出現(xiàn)超過單位電平的跳變，正弦波失真率變大，dv/dt也變大，因此用于逼近正弦波的實用價值不大。在2-H/2-H結(jié)構(gòu)的直流側(cè)電容的電壓比不同的情況下，輸出的電平數(shù)也不同，如下表所示。
　　另外，當串聯(lián)單元的逆變結(jié)構(gòu)不同時，又可以組成新型的混合級聯(lián)型多電平逆變器[28]，研究較多的是級聯(lián)單元為二極管嵌位式或電容嵌位式結(jié)構(gòu)，而且一般為3電平嵌位式，稱為3-H結(jié)構(gòu)，這樣就又出現(xiàn)了3-H/3-H和2-H/3-H兩種拓撲結(jié)構(gòu)，利用最大擴展原則可以確定各個單元的直流側(cè)電容電壓比，很容易得到輸出的最大電平數(shù)。
　　下表2-H/2-H混合級聯(lián)型逆變器在不同直流電壓比的情況下輸出相電壓的電平數(shù)和器件數(shù)的比較(其中N為單相串聯(lián)功率單元的個數(shù))
　　 在混合級聯(lián)多電平變換器中，高電壓單元可用GTO等高耐壓、低開關(guān)頻率的功率器件組成，低電壓單元可用IGBT等低耐壓、高開關(guān)頻率的功率器件組成，GTO單元以輸出電壓的基波頻率為切換頻率，主要輸出基波能量，IGBT單元在較高的開關(guān)頻率下進行PWM調(diào)制，用來改善輸出波形，提高整機效率。