大容量多電平變換器發(fā)展概述

高壓變頻技術(shù)

主講人：邊春元2011年8月內(nèi)容介紹高壓變頻器對(duì)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(duì)電動(dòng)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(wèn)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(jí)在數(shù)百千瓦以上，而高電壓指電壓等級(jí)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(wú)中間直流環(huán)節(jié)，交流變頻器可分為交-交變頻和交-直-交變頻兩種形式。交-直-交變頻存在著中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，根據(jù)所用儲(chǔ)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(duì)于高壓變換器來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)單，依靠器件串并聯(lián)，存在開關(guān)器件靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓、均流等問(wèn)題。電壓波動(dòng)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)，輸出變壓器體積大。3）變壓器耦合的多脈沖逆變器并聯(lián)逆變橋來(lái)獲得大電流。典型的48脈沖逆變器包括8個(gè)6脈沖逆變橋和8個(gè)曲折變壓器，通過(guò)改變?cè)褦?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(guò)程中變壓器磁飽和引起直流磁化和浪涌過(guò)電壓?jiǎn)栴}。6脈沖方式工作，使系統(tǒng)動(dòng)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1/3~1/2，而且控制復(fù)雜，通常僅用于低頻場(chǎng)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(shí)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1/3~1/2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(chǎng)合，如軋機(jī)主傳動(dòng)裝置。由于晶閘管與GTO相比價(jià)格便宜很多，且器件單管容量可以很大，換流損耗小，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，所以自20世紀(jì)80年代以來(lái)，這種變頻器應(yīng)用得還是很多。針對(duì)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，可以采取濾波或多重化等辦法；在控制方法上，又提出了動(dòng)態(tài)無(wú)功控制等方案。但是會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快；

（3）控制特性好，可對(duì)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(duì)象復(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(guò)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(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)繼續(xù)在市場(chǎng)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(shí)，中間低壓環(huán)節(jié)電流過(guò)大，需要解決多個(gè)器件并聯(lián)的均流問(wèn)題，使可靠性下降；變壓器因諧波而發(fā)熱，效率降低；低頻時(shí)輸出變壓器能量傳輸困難，不適合低頻重載場(chǎng)合。通過(guò)變壓器多重化可以解決其諧波問(wèn)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、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）直接高壓型交交-直-交變換器近年來(lái)，高開開關(guān)頻率、低低損耗、高壓壓大電流IGBT和IGCT的異軍突起使使直接高壓型型變換器成為為可能。直接高壓電流流型變換器在中大容量的的調(diào)速場(chǎng)合應(yīng)應(yīng)用很廣。二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)：（1）存在直直流電感，整整流側(cè)和逆變變側(cè)的短路保保護(hù)較容易，，可靠性高；；

（2）采用相相控整流，電電流相位可調(diào)調(diào)，可進(jìn)行能能量回饋和四四象限運(yùn)行；；

（3）輸出濾濾波電容使輸輸出電壓dv/dt很小，傳輸電電纜可以較長(zhǎng)長(zhǎng)；

（4）不考慮慮共模電壓，，電機(jī)繞組的的電壓應(yīng)力小小，無(wú)須降額額運(yùn)行。缺點(diǎn)：由于開關(guān)器件件SCR、GTO開關(guān)頻率低，，存在：（1）相控整整流的諧波污污染和功率因因數(shù)低下對(duì)電電網(wǎng)構(gòu)成威脅脅；

（2）沒有輸輸出濾波電容容時(shí)，輸出諧諧波含量高，，低頻轉(zhuǎn)矩脈脈動(dòng)大，啟動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小；（（3）系統(tǒng)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；；

（4）輸出頻頻率范圍窄；；（5）沒有輸輸入隔離變壓壓器時(shí)，逆變變器輸出的共共模電壓大，，甚至破壞電電機(jī)繞組對(duì)地地的絕緣。二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）發(fā)展：由于高壓大容容量IGBT、IGCT的實(shí)用化，電電流型變換器器正在向直流流母線電流可可調(diào)（動(dòng)態(tài)響響應(yīng)好）、整整流逆變均進(jìn)進(jìn)行脈寬調(diào)制制（諧波含量量低）的方向向發(fā)展。由于于其本身所固固有的短路保保護(hù)的特性，，這種變換器器應(yīng)該具有很很好的發(fā)展前前景，雖然控控制比電壓型型變換器要復(fù)復(fù)雜一些，但但是隨著高速速處理芯片的的推出，控制制上復(fù)雜性都都不成問(wèn)題。。直接高壓電壓壓型變換器由于控制上的的相對(duì)簡(jiǎn)單和和良好的調(diào)速速性能，電壓壓型變換器在在中小容量應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域占絕絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。依靠GTO、IGBT等器件的串并并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)兩電平直接高壓大功功率逆變電路路，電路結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單，但串串并聯(lián)將帶來(lái)來(lái)開關(guān)器件的的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的的均壓和均流流等一系列問(wèn)題題。技術(shù)上的的不確定因素素影響大，可可靠性不高，，且由于輸出出只有兩個(gè)電電平，dv/dt大，諧波含量量高，電磁干干擾問(wèn)題嚴(yán)重，因因而在大功率率換流中應(yīng)用用不多。二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）共模電壓?jiǎn)栴}題：共模電壓是指指電機(jī)中點(diǎn)對(duì)地地電壓偏移。高的共模電電壓會(huì)危及電電機(jī)繞組對(duì)外外殼的絕緣。。如圖所示，設(shè)設(shè)電機(jī)中點(diǎn)與與電網(wǎng)接地點(diǎn)點(diǎn)分別為n，N，則電機(jī)共模模電壓為VnN。其表達(dá)式推推導(dǎo)如下：二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）電機(jī)相電壓為為：由電機(jī)輸入電電壓三相對(duì)稱稱，有：可得：又因：故：二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）其中，ZnN為電機(jī)繞組中中點(diǎn)對(duì)地阻抗抗。由以上可得：：共模電壓最大大值為直流母母線對(duì)地電壓壓峰值（即線線電壓峰值）），最小值為為直流母線對(duì)對(duì)地電壓最小小值（即相電電壓最小值））。對(duì)電壓型逆變變器來(lái)說(shuō)，輸出電壓電平平越少，共模模電壓幅值越越高。電機(jī)繞組中點(diǎn)點(diǎn)對(duì)地漏電流流為：二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）新型多電平電電壓型變換器器在傳統(tǒng)電路中中，輸出為單單一的直流源源，只能對(duì)一一個(gè)恒定幅值值的直流電壓壓進(jìn)行脈寬調(diào)調(diào)制，輸出為為幅值恒定的的PWM波。若設(shè)直流流源電壓為Vdc，以低電壓節(jié)節(jié)點(diǎn)為零電位位點(diǎn)，經(jīng)過(guò)電電力電子變換換電路之后，，得到的輸出出PWM脈沖波只有兩兩種電平0和Vdc，稱之為兩電平電路。

兩電平直直接高壓逆變變器存在很高高的dv/dt和共模電壓，，威脅電機(jī)繞繞組絕緣；為為了解決串聯(lián)聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)導(dǎo)通和關(guān)斷的的問(wèn)題，發(fā)展展了多電平變換器器。多電平電路：：二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）日本長(zhǎng)岡科技技大學(xué)的南波波江章（A.Nabae）等人于1980年在IEEE工業(yè)應(yīng)用年會(huì)會(huì)上提出三電電平中點(diǎn)箝位位式結(jié)構(gòu)以來(lái)來(lái)，多電平逆逆變器的拓?fù)鋼浣Y(jié)構(gòu)主要發(fā)發(fā)展出以下三三種電路：1）二極管箝位式式（Diodeclampedtopology）2）電容箝位式（Capacitorclampedtopology）3）直流電源隔離離的單元逆變變橋串聯(lián)式（cascadedtopology）多電平結(jié)構(gòu)更更適合高壓大大容量場(chǎng)合，，輸出電壓可可更接近正弦弦波，諧波含含量??；dv/dt小，電磁干擾擾問(wèn)題大大減減輕；效率高高。消除同樣諧波波：兩電平采用PWM控制，開關(guān)頻頻率高、損耗耗大；多電平平逆變器可用用較低頻率進(jìn)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作作，開關(guān)頻率率低、損耗小小、效率高。。二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）二極管中點(diǎn)箝箝位的多電平平逆變器二、大容量多多電平變換器器發(fā)展概述（（續(xù)）特點(diǎn)：采用多個(gè)二極極管對(duì)相應(yīng)開開關(guān)元件進(jìn)行行箝位，以保保證每次一個(gè)個(gè)橋臂只有一一個(gè)開關(guān)動(dòng)作作，并實(shí)現(xiàn)多多電平輸出，，而每個(gè)開關(guān)關(guān)器件只承受受1/2的直流流母線線電壓壓。缺點(diǎn)：：當(dāng)電平平數(shù)較較多時(shí)時(shí)，箝箝位二二極管管將承承受不不同反反壓，，開關(guān)關(guān)元件件所需需額定定電流流不同同，還還有電電容電電壓的的平衡衡問(wèn)題題。電容箝箝位的的多電電平逆逆變器器工作原原理與與二極極管箝箝位電電路相相似。。電容的的引進(jìn)進(jìn)使電電壓合合成的的選擇擇增多多，開開關(guān)狀狀態(tài)的的選擇擇具有有更大大的靈靈活性性；大量的的電容容使體體積龐龐大、、占地地多、、成本本高、、封裝裝不易易。通過(guò)同同一電電平上上不同同開關(guān)關(guān)狀態(tài)態(tài)的組組合，，能使使電容容電壓壓保持持均衡衡，可可較好好地應(yīng)應(yīng)用于于有功功調(diào)節(jié)節(jié)和變變頻調(diào)調(diào)速系系統(tǒng)，，但控控制較較復(fù)雜雜。二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）直流電電源隔隔離的的單元元逆變變橋串串聯(lián)式式多電電平逆逆變器器二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）優(yōu)點(diǎn)：：1）不不存存在電電壓均均衡問(wèn)問(wèn)題；；2）無(wú)無(wú)需需箝位位二極極管或或電容容，適適于調(diào)調(diào)速控控制；；3）模模塊塊化程程度好好，維維修方方便；；4）對(duì)對(duì)相相同電電平數(shù)數(shù)而言言，所所需器器件數(shù)數(shù)目最最少；；5）可可實(shí)實(shí)現(xiàn)更更多電電平，，上高高電壓壓，實(shí)實(shí)現(xiàn)更更低諧諧波；；6）控控制制方法法簡(jiǎn)單單，可可分別別對(duì)每每一級(jí)級(jí)進(jìn)行行PWM控制，，然后后進(jìn)行行波形形重組組。缺點(diǎn)：：需要很很多隔隔離的的直流流電源源，應(yīng)應(yīng)用受受到限限制。。綜上所所述，，二極管管和電電容箝箝位式式多電電平逆逆變器器由于于電容容均壓壓?jiǎn)栴}題，比比較適適合應(yīng)應(yīng)用于于無(wú)功調(diào)調(diào)節(jié)，而在在有功功傳遞遞，如如電機(jī)機(jī)調(diào)速速方面面控制制較難難，需需要實(shí)實(shí)施額額外的的算法法。二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）三電平平NPC（NeutralPoint-Clamped）電路路：雖存在在均壓壓?jiǎn)栴}題，但但在大大容量量交流流電機(jī)機(jī)調(diào)速速領(lǐng)域域還是是應(yīng)用用得很很多。。原因：：高耐壓壓器件件很適適合三三電平平NPC電路，，電容容電壓壓的均均衡問(wèn)問(wèn)題可可通過(guò)過(guò)控制制解決決。這種拓拓?fù)渑c與交流流電機(jī)機(jī)的矢量控控制理理論和和直接接轉(zhuǎn)矩矩控制制理論結(jié)結(jié)合起起來(lái)時(shí)時(shí)，就就使大大容量量交流流電機(jī)機(jī)調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)的性性能和和可靠靠性得得到很很大提提高。。采用四象限限整流流并與現(xiàn)代電電機(jī)控控制理理論結(jié)合，，高性性能四四象限限大容容量交交流電電機(jī)變變頻調(diào)調(diào)速在在交流流傳動(dòng)動(dòng)領(lǐng)域域的應(yīng)應(yīng)用將將成為為可能能。多電平平變換換器的的特點(diǎn)點(diǎn)：（1）輸輸出出電平平數(shù)增增加，，輸出出波形形階梯梯增多多，更更加接接近目目標(biāo)調(diào)調(diào)制波波（一一般為為正弦弦波））；（（2）降降低低了輸輸出電電壓的的跳變變；二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）（3）輸輸出出電壓壓諧波波含量量減少少；（（4）階階梯梯波調(diào)調(diào)制時(shí)時(shí)，器器件在在基頻頻下開開通關(guān)關(guān)斷，，損耗耗小，，效率率高。。三電平平變換換器的的相電電壓輸輸出波波形二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）五電平平電路路的典典型輸輸出線線電壓壓波形形二、大大容量量多電電平變變換器器發(fā)展展概述述（續(xù)續(xù)）多電平平電路路波形形質(zhì)量量較優(yōu)優(yōu)，在在同樣樣的開開關(guān)頻頻率下下，多多電平平電路路輸出出的諧諧波分分量低低于兩兩電平平電路路的輸輸出，，反之之，達(dá)達(dá)到類類似的的輸出出波形形質(zhì)量量，多多電平平電路路的開開關(guān)頻頻率可可以很很低。。多電平平電路路還具具有dv/dt較小，，共模模電壓壓較小小的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。。直接高高壓型型變換換器將是大大容量量功率率變換換器的的發(fā)展展方向向。其其中采采用IGBT或IGCT的直接高高壓電電流型型變換換器與與三電電平NPC電路、、單元元逆變變橋串串聯(lián)式式多電電平變變換器器各具特特色，，將共共同主主導(dǎo)今今后的的大容容量功功率換換流市市場(chǎng)。。2、新型型多電電平變變換器器的分分類及及模型型采用新新型可可控器器件，，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高壓壓大容容量的的途徑徑有：：1）通通過(guò)過(guò)多電電平平逆逆變變器器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)高高壓壓；；2）通通過(guò)過(guò)器件件的的并并聯(lián)聯(lián)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)大大電電流流；；3）采采用用多相相電電機(jī)機(jī)。二、、大大容容量量多多電電平平變變換換器器發(fā)發(fā)展展概概述述（（續(xù)續(xù)））電壓型多電平DC-AC變換器箝位型拓?fù)浼?jí)聯(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)式型多電電平平變變換換器器的的分分類類二、、大大容容量量多多電電平平變變換換器器發(fā)發(fā)展展概概述述（（續(xù)續(xù)））多電電平平變變換換器器的的基基本本模模型型根據(jù)據(jù)直直流流電電壓壓源源的的性性質(zhì)質(zhì)和和串串聯(lián)聯(lián)方方式式不不同同，，可可將將多多電電平平變變換換電電路路分分為為：：1）若若干干直直流流電電壓壓源源直直接接串串聯(lián)聯(lián)通通過(guò)過(guò)開開關(guān)關(guān)輸輸出出；；2）獨(dú)獨(dú)立立直直流流電電壓壓源源通通過(guò)過(guò)開開關(guān)關(guān)串串聯(lián)聯(lián)輸輸出出。。若干干直直流流電電壓壓源源直直接接串串聯(lián)聯(lián)通通過(guò)過(guò)開開關(guān)關(guān)輸輸出出的的多多電電平平變變換換電電路路二、、大大容容量量多多電電平平變變換換器器發(fā)發(fā)展展概概述述（（續(xù)續(xù)））獨(dú)立立直直流流電電壓壓源源通通過(guò)過(guò)開開關(guān)關(guān)串串聯(lián)聯(lián)輸輸出出的的多多電電平平電電路路3、多多電電平平變變換換器器的的應(yīng)應(yīng)用用二、、大大容容量量多多電電平平變變換換器器發(fā)發(fā)展展概概述述（（續(xù)續(xù)））高壓壓大大容容量量多多電電平平變變換換調(diào)調(diào)速速裝裝置置的的國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外生生產(chǎn)產(chǎn)廠廠商商及及其其產(chǎn)產(chǎn)品品型型號(hào)號(hào)和和容容量量變換器類型開關(guān)器件功率范圍制造廠