高壓變頻技術(shù)簡述和應(yīng)用

1、高壓變頻技術(shù)簡述和應(yīng)用 內(nèi)容介紹高壓變頻器對電網(wǎng)的影響三電平PWM電壓源變頻器原理三電平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高壓變頻器對電動機(jī)的影響三電平PWM逆變控制策略大容量多電平變換器發(fā)展概述IGCT系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討功率器件概述二、大容量多電平變換器發(fā)展概述1、大容量變換器分類和特點(diǎn) 大容量指功率等級在數(shù)百千瓦以上，而高電壓指電壓等級為3kv、6kv、10kv或更高。 實(shí)現(xiàn)大容量變換的途徑有高壓或/和大電流，其中以高壓大容量最為典型；又由于電機(jī)調(diào)速在工業(yè)應(yīng)用中最廣泛，所以高壓大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在大容量換流應(yīng)用技術(shù)中最具代表性。 根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，交流變頻器可分為交-交變

2、頻和交-直-交變頻兩種形式。 交-直-交變頻存在著中間直流儲能環(huán)節(jié)，根據(jù)所用儲能元件性質(zhì)的不同，交-直-交變換器還可分為電流型和電壓型兩種。 對于高壓變換器來說，從高壓構(gòu)成的角度，又可有“高-高”和“高-低-高”方式兩種劃分。 不同劃分經(jīng)適當(dāng)組合就得到各種類型的高壓大容量變換器。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 傳統(tǒng)大功率變換電路1）普通三相逆變器（兩電平逆變器）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，依靠器件串并聯(lián)，存在開關(guān)器件靜態(tài)均壓、動態(tài)均壓、均流等問題。 電壓波動大，諧波大。 2）降壓普通變頻升壓電路兩側(cè)需大型變壓器，體積大，成本高，變頻部分采用交-直-交結(jié)構(gòu)，輸出變壓

3、器體積大。 3）變壓器耦合的多脈沖逆變器并聯(lián)逆變橋來獲得大電流。 典型的48脈沖逆變器包括8個6脈沖逆變橋和8個曲折變壓器，通過改變匝數(shù)比或聯(lián)接方式耦合疊加出階梯波，以減少諧波。 成本大，損耗大，占用空間大，瞬態(tài)過程中變壓器磁飽和引起直流磁化和浪涌過電壓問題。 6脈沖方式工作，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能較差。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）4）交-交變頻電路可省去中間直流環(huán)節(jié)，體積小，重量輕，一次功率變換控制效率高。 但是，輸出頻率低，最高輸出頻率一般為輸入頻率的1/31/2，而且控制復(fù)雜，通常僅用于低頻場合。 大容量交-交變頻調(diào)速系統(tǒng) 傳統(tǒng)三相交-交變頻電路 優(yōu)點(diǎn)：由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變

4、流器組成。 采用電網(wǎng)自然換流，只需一次換流就實(shí)現(xiàn)了變頻，環(huán)流效率高，方便四象限運(yùn)行，而且低頻時輸出波形接近正弦。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 缺點(diǎn)：（1） 晶閘管較多，接線復(fù)雜；（2） 輸出頻率范圍窄，只能為1/31/2的電網(wǎng)頻率；（3） 采用相控整流，功率因數(shù)低。 傳統(tǒng)的交-交變頻主要用于大容量低速重載調(diào)速場合，如軋機(jī)主傳動裝置。 由于晶閘管與 GTO相比價格便宜很多，且器件單管容量可以很大，換流損耗小，該項技術(shù)已經(jīng)非常成熟，所以自20世紀(jì)80年代以來，這種變頻器應(yīng)用得還是很多。 針對交-交變頻功率因數(shù)低，諧波污染較嚴(yán)重等缺點(diǎn)，人們提出了多種改進(jìn)措施。 在主回路的改進(jìn)上，可以采取濾

5、波或多重化等辦法；在控制方法上，又提出了動態(tài)無功控制等方案。 但是會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。 矩陣式三相交-交變頻電路矩陣式交-交變頻器能方便地實(shí)現(xiàn)N相輸入-M相輸出；按輸入輸出電源性質(zhì)，可有電壓源輸入-電流源輸出和電流源輸入-電壓源輸出兩種形式。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 優(yōu)點(diǎn)：（1） 換流效率非常高，損耗主要是器件開關(guān)損耗；（2） 能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行和任意功率因數(shù)，所需濾波元件容量小，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快；（3） 控制特性好，可對輸出電壓和頻率及輸入電流和相位分別控制，且雙邊諧波含量少。 缺點(diǎn)：要求較高頻率的大容量雙向開關(guān)（數(shù)千至數(shù)十千赫），控制對象

6、復(fù)雜，且電壓利用率較低。 發(fā)展：隨著高壓大容量IGBT、IGCT研制的成功，通過圖中（b）（d）所示器件的組合也可以實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)，從而使高性能、高效的電力變換成為可能。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 高壓大容量交-直-交變換器由于傳統(tǒng)交-交變頻器的固有缺點(diǎn)難以克服，矩陣式交-交變頻器發(fā)展的又不夠成熟，因而交-直-交變換器必將在今后較長一段時期內(nèi)繼續(xù)在市場占據(jù)主導(dǎo)地位。 高低高型交-直-交變換器輸入為降壓變壓器，輸出為升壓變壓器，中間為低壓變壓器。 當(dāng)系統(tǒng)容量較大時，中間低壓環(huán)節(jié)電流過大，需要解決多個器件并聯(lián)的均流問題，使可靠性下降； 變壓器因諧波而發(fā)熱，效率降低； 低頻時輸出變壓器能量

7、傳輸困難，不適合低頻重載場合。 通過變壓器多重化可以解決其諧波問題和擴(kuò)大容量，但是增加了成本，因而這種變換方式不適合向更大容量方向發(fā)展。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 直接高壓型交-直-交變換器近年來，高開關(guān)頻率、低損耗、高壓大電流IGBT和IGCT的異軍突起使直接高壓型變換器成為可能。 直接高壓電流型變換器在中大容量的調(diào)速場合應(yīng)用很廣。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 優(yōu)點(diǎn)：（1） 存在直流電感，整流側(cè)和逆變側(cè)的短路保護(hù)較容易，可靠性高；（2） 采用相控整流，電流相位可調(diào)，可進(jìn)行能量回饋和四象限運(yùn)行；（3） 輸出濾波電容使輸出電壓dv/dt很小，傳輸電纜可以較長；（4） 不考慮

8、共模電壓，電機(jī)繞組的電壓應(yīng)力小，無須降額運(yùn)行。 缺點(diǎn)： 由于開關(guān)器件SCR、GTO開關(guān)頻率低，存在：（1） 相控整流的諧波污染和功率因數(shù)低下對電網(wǎng)構(gòu)成威脅；（2） 沒有輸出濾波電容時，輸出諧波含量高，低頻轉(zhuǎn)矩脈動大，啟動轉(zhuǎn)矩小；（3） 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)慢；（4） 輸出頻率范圍窄；（5） 沒有輸入隔離變壓器時，逆變器輸出的共模電壓大，甚至破壞電機(jī)繞組對地的絕緣。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 發(fā)展：由于高壓大容量IGBT、IGCT的實(shí)用化，電流型變換器正在向直流母線電流可調(diào)（動態(tài)響應(yīng)好）、整流逆變均進(jìn)行脈寬調(diào)制（諧波含量低）的方向發(fā)展。 由于其本身所固有的短路保護(hù)的特性，這種變換器應(yīng)該具有很

9、好的發(fā)展前景，雖然控制比電壓型變換器要復(fù)雜一些，但是隨著高速處理芯片的推出，控制上復(fù)雜性都不成問題。 直接高壓電壓型變換器 由于控制上的相對簡單和良好的調(diào)速性能，電壓型變換器在中小容量應(yīng)用領(lǐng)域占絕對優(yōu)勢。 依靠GTO、IGBT等器件的串并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)兩電平直接高壓大功率逆變電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，但串并聯(lián)將帶來開關(guān)器件的靜態(tài)、動態(tài)的均壓和均流等一系列問題。 技術(shù)上的不確定因素影響大，可靠性不高，且由于輸出只有兩個電平，dv/dt大，諧波含量高，電磁干擾問題嚴(yán)重，因而在大功率換流中應(yīng)用不多。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 共模電壓問題：共模電壓是指電機(jī)中點(diǎn)對地電壓偏移。 高的共模電壓會危及電機(jī)繞

10、組對外殼的絕緣。 如圖所示，設(shè)電機(jī)中點(diǎn)與電網(wǎng)接地點(diǎn)分別為n，N，則電機(jī)共模電壓為VnN。 其表達(dá)式推導(dǎo)如下：二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）電機(jī)相電壓為：由電機(jī)輸入電壓三相對稱，有：可得：又因：故：二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）其中，ZnN為電機(jī)繞組中點(diǎn)對地阻抗。 由以上可得： 共模電壓最大值為直流母線對地電壓峰值（即線電壓峰值），最小值為直流母線對地電壓最小值（即相電壓最小值）。 對電壓型逆變器來說，輸出電壓電平越少，共模電壓幅值越高。 電機(jī)繞組中點(diǎn)對地漏電流為：二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 新型多電平電壓型變換器在傳統(tǒng)電路中，輸出為單一的直流源，只能對一個恒定幅值的直流電

11、壓進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出為幅值恒定的PWM波。 若設(shè)直流源電壓為Vdc，以低電壓節(jié)點(diǎn)為零電位點(diǎn)，經(jīng)過電力電子變換電路之后，得到的輸出PWM脈沖波只有兩種電平0和Vdc，稱之為兩電平電路。 兩電平直接高壓逆變器存在很高的dv/dt和共模電壓，威脅電機(jī)繞組絕緣；為了解決串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷的問題，發(fā)展了多電平變換器。 多電平電路：如果多個直流源和電力電子器件經(jīng)過特定的拓?fù)渥儞Q，并且控制不同的直流源串聯(lián)輸出，則在變換電路的不同開關(guān)狀態(tài)下，就可以在輸出端得到不同幅值的多種電平的輸出。 事實(shí)上這是通過多個直流電源之間的不同組合得出的，采用這種原理的變換電路稱作多電平（Multi-level）電路，用這種方

12、法實(shí)現(xiàn)的變換器就是多電平變換器。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）日本長岡科技大學(xué)的南波江章（A. Nabae）等人于1980年在IEEE工業(yè)應(yīng)用年會上提出三電平中點(diǎn)箝位式結(jié)構(gòu)以來，多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要發(fā)展出以下三種電路： 1） 二極管箝位式（Diode clamped topology）2） 電容箝位式（Capacitor clamped topology）3） 直流電源隔離的單元逆變橋串聯(lián)式（cascaded topology）多電平結(jié)構(gòu)更適合高壓大容量場合，輸出電壓可更接近正弦波，諧波含量??；dv/dt小，電磁干擾問題大大減輕；效率高。 消除同樣諧波：兩電平采用PWM控制，開關(guān)

13、頻率高、損耗大；多電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開關(guān)動作，開關(guān)頻率低、損耗小、效率高。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 二極管中點(diǎn)箝位的多電平逆變器二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 特點(diǎn)：采用多個二極管對相應(yīng)開關(guān)元件進(jìn)行箝位，以保證每次一個橋臂只有一個開關(guān)動作，并實(shí)現(xiàn)多電平輸出，而每個開關(guān)器件只承受1/2的直流母線電壓。 缺點(diǎn)：當(dāng)電平數(shù)較多時，箝位二極管將承受不同反壓，開關(guān)元件所需額定電流不同，還有電容電壓的平衡問題。 電容箝位的多電平逆變器 工作原理與二極管箝位電路相似。 電容的引進(jìn)使電壓合成的選擇增多，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性； 大量的電容使體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。

14、 通過同一電平上不同開關(guān)狀態(tài)的組合，能使電容電壓保持均衡，可較好地應(yīng)用于有功調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速系統(tǒng)，但控制較復(fù)雜。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 直流電源隔離的單元逆變橋串聯(lián)式多電平逆變器二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 優(yōu)點(diǎn)： 1） 不存在電壓均衡問題；2） 無需箝位二極管或電容，適于調(diào)速控制；3） 模塊化程度好，維修方便；4） 對相同電平數(shù)而言，所需器件數(shù)目最少；5） 可實(shí)現(xiàn)更多電平，上高電壓，實(shí)現(xiàn)更低諧波；6） 控制方法簡單，可分別對每一級進(jìn)行PWM控制，然后進(jìn)行波形重組。 缺點(diǎn)：需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到限制。 綜上所述，二極管和電容箝

15、位式多電平逆變器由于電容均壓問題，比較適合應(yīng)用于無功調(diào)節(jié)，而在有功傳遞，如電機(jī)調(diào)速方面控制較難，需要實(shí)施額外的算法。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 三電平NPC（Neutral Point-Clamped）電路：雖存在均壓問題，但在大容量交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域還是應(yīng)用得很多。 原因：高耐壓器件很適合三電平NPC電路，電容電壓的均衡問題可通過控制解決。 這種拓?fù)渑c交流電機(jī)的矢量控制理論和直接轉(zhuǎn)矩控制理論結(jié)合起來時，就使大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能和可靠性得到很大提高。 采用四象限整流并與現(xiàn)代電機(jī)控制理論結(jié)合，高性能四象限大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速在交流傳動領(lǐng)域的應(yīng)用將成為可能。 多電平變換器的特點(diǎn)

16、：（1） 輸出電平數(shù)增加，輸出波形階梯增多，更加接近目標(biāo)調(diào)制波（一般為正弦波）；（2） 降低了輸出電壓的跳變；二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）（3） 輸出電壓諧波含量減少；（4） 階梯波調(diào)制時，器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高。 三電平變換器的相電壓輸出波形二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）五電平電路的典型輸出線電壓波形二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 多電平電路波形質(zhì)量較優(yōu)，在同樣的開關(guān)頻率下，多電平電路輸出的諧波分量低于兩電平電路的輸出，反之，達(dá)到類似的輸出波形質(zhì)量，多電平電路的開關(guān)頻率可以很低。 多電平電路還具有dv/dt較小，共模電壓較小的優(yōu)點(diǎn)。 直接高壓型變換器將是大容

17、量功率變換器的發(fā)展方向。 其中采用IGBT或IGCT的直接高壓電流型變換器與三電平NPC電路、單元逆變橋串聯(lián)式多電平變換器各具特色，將共同主導(dǎo)今后的大容量功率換流市場。 2、新型多電平變換器的分類及模型采用新型可控器件，實(shí)現(xiàn)高壓大容量的途徑有：1） 通過多電平逆變器實(shí)現(xiàn)高壓；2） 通過器件的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)大電流；3） 采用多相電機(jī)。 二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）電壓型多電平DC-AC變換器箝位型拓?fù)浼壜?lián)型拓?fù)涠O管箝位型電容箝位型混合箝位型通用箝位型H橋串聯(lián)型開繞組雙端供電型三相逆變器串聯(lián)式型 多電平變換器的分類二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 多電平變換器的基本模型根據(jù)直流電壓源的性質(zhì)

18、和串聯(lián)方式不同，可將多電平變換電路分為：1）若干直流電壓源直接串聯(lián)通過開關(guān)輸出；2）獨(dú)立直流電壓源通過開關(guān)串聯(lián)輸出。 若干直流電壓源直接串聯(lián)通過開關(guān)輸出的多電平變換電路二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)）獨(dú)立直流電壓源通過開關(guān)串聯(lián)輸出的多電平電路3、多電平變換器的應(yīng)用二、大容量多電平變換器發(fā)展概述（續(xù)） 高壓大容量多電平變換調(diào)速裝置的國內(nèi)外生產(chǎn)廠商及其產(chǎn)品型號和容量 變換器類型開關(guān)器件功率范圍制造廠家兩電平逆變器（VSI）IGBT并聯(lián)1.47.2MVA阿爾斯通（VDM5000）IGBT串聯(lián)17MVA成都佳靈公司電容箝位（VSI）IGBT0.38MVA阿爾斯通（VDM6000 Symphony）三電平二極管箝位逆變器（NPC VSI）IGCT0.35MVA 37MVAABB（ACS1000）（ACS6000）IGCT320MVAGE（Inno