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中压大功率变频技术的进展中山市明阳电器有限公司 薄保中 Bo Baozhong 摘 要:风机、泵类负载采用电动机调速传动可以节约大量的电能，文中介绍了中压大功率电动机变频装置的国内外产品技术现状和发展趋势，重点介绍了目前比较流行的多电平变频器。 关键词:变频 多电平 中压 大功率 Abstract: Variable speed drives can save a large mount of electric energy when they are used for fans and pumps. Technique status quo and development trends of medium-voltage high-power inverter products are presented in the paper and the focus is on multilevel inverters that are currently used Keywords: Inverter Multilevel Medium voltage High power 中图分类号 TP20 文献标识码 B 文章编号 1561-0330(2003)-01-0013-05 1 引言 按照电力系统电压等级的划分，kV级电压应称为中压，用于驱动电动机的变频器相应称作中压变频器，英文术语Medium Voltage Inverter，在国内电工界工程技术人员将其与低压380V对比，而俗称为高压变频器。 风机、泵用调节转速来调节风量(或流量)后，可以节约大量的电能。据统计，风机、泵类电动机节电率一般为30%60%。风机、泵类负载用中压变频器占中压变频市场的四分之三左右，调速性能要求不高，节能效果又非常显著，因而成为不少厂家抢占市场的首选领域。 风机泵类负载采用调速传动虽然可以节约大量电能，过去由于没有合适的中压大功率交流调速装置，推广应用受到限制，特别是早期投产的大功率风机和泵的传动，缺少简单、可靠、经济实用的中压电机调速装置，节能调速基本没有推广，因此国内技术设备改造市场很大。 近年来，随着电力电子器件的发展，中压变频器技术日趋成熟，中压变频器应用也越来越广泛。早期的中压电动机变频方案采用低压变频器和输入输出变压器组成的“中-低-中”方案，近年来流行的方案都取消了输出变压器，即无输出变压器“transformer-less”方式。下面简要介绍目前常用的技术方案。 2 大功率中压变频器主电路技术方案 大功率风机和泵一般采用中压(110kV)交流电机传动，根据实现中压的途径，中压变频方案又大致可以分为两类:一是有输出变压器的中-低-中方案;二是无输出变压器的中-中方案。中压变频调速装置采用输入、输出变压器，变压器和开关增加了成本，使系统复杂，增加了损耗，使这个方案失去了吸引力。近年来，无输出变压器的中-中方案非常流行，这种方案通过两条途径实现:一是器件串联;二是多电平电路结构。 2.1 有输出变压器的中-低-中方案 中-低-中方案如图1 所示，先用1台降压变压器把中压降为低压，经通用的低压变频器变频，再用1台升压变压器把低压升至中压。其优点是采用了标准低压变频器;缺点是多用了2台变压器，增加了成本和占地面积，降低了系统的效率。另外，输出变压器也限制了磁场定向矢量控制等先进控制方法的应用。 2.2 无输出变压器的中-中方案 (1) 器件串联方案 无输出变压器的器件串联方案一般采用GTO两电平电流源逆变器，如图2所示，采用三相逆变桥，为了实现较高的电压输出，采用器件串联的方法，典型产品如AB公司的GTO电流源型逆变器，3个GTO器件串联，交流侧采用电容器滤波作为输出滤波器，电压、电流波形都接近正弦波。为了削弱输入电流的谐波，网侧变流器采用18或24脉波多重化整流电路，中间直流环节采用电感滤波。 这种方案的突出优点是能量回馈容易，易于实现四象限运行，控制系统的动态性能较好;缺点是功率器件需要串联，需要解决动静态均压问题。 (2) 多电平方案 多电平变流器用于大功率场合较器件串联方法有许多优点，如输出波形较好，减小了dv/dt，消除了器件串联实现带来的困难。一般的多电平变流器结构是将若干电平合成一个正弦波，所谓的“多电平”始于三电平，由A.Nabae 等于1981年首次提出，随着电平数目增加，合成的输出电压波形台阶数也增加，使得输出电压波形更逼进正弦波形。 我国标准中压电压等级为6kV和10kV，若直接变频，即使采用4.5kV或6kV的器件仍需串联，避开器件串联问题而采用多电平技术是一个较为合适的方案。例如，采用GTO器件的三电平变频器，GTO电压、电流等级达4.56kV、46kA，元件无需串并联，逆变器容量可达10MVA，可以满足大功率风机和泵的传动要求。 多电平电路结构目前主要有三种:a) 二极管嵌位(Diode-Clamped)多电平逆变器，三电平逆变器有时也称为中点嵌位(Neural-Point-Clamped 简称NPC)三电平逆变器;b)浮动电容器(Flying Capacitors)多电平逆变器;c) 逆变单元串联(Cascaded Inverters)多电平逆变器。多电平结构用于中压大功率场合，除了解决元件耐压低问题以外还有许多好处，如电压矢量多，波形控制效果好，可以省去输出变压器，有的甚至省去了输出滤波器(逆变单元串联结构)，dv/dt较小对电机绝缘十分有利等，这种电路在中压变频和静态无功补偿(SVC)等场合应用前景很好。 l 二极管箝位多电平逆变器 二极管箝位多电平逆变器由二极管嵌位三电平逆变器拓展得到，三电平逆变器也称为中点箝位(Neural-Point-Clamped 简称NPC)三电平变流器，图3 所示为二极管箝位三电平逆变器主电路，其直流侧滤波电容器由电容器C1、C2组成。若直流侧电压为Ud，每个电容器上的电压为VS，通过箝位二极管使每个功率器件上的电压限制在一个电容器电压电平VS内。 这种逆变器用于变频传动可以工作于背对背内联方式，即输入侧变流器也采用电机侧相同的多电平变流器，有功电能可以回馈，易于实现四象限运行，电容器电压均衡容易，电网谐波和输入功率因数得以改善。这种逆变器控制较为复杂，主要是各级电容器电压的均衡控制问题，不同的电动机控制方案采用不同的PWM控制方法，而电容器电压的均衡控制方法也因PWM控制方法而异。目前，三电平变频器产品采用的方案有转子磁场定向控制(西门子公司)、直接转矩控制(ABB公司)以及压频比控制，更多电平的变频器未见报道。此外，对于大功率场合，开关器件工作频率较低，尽管有输出滤波器，但是最小脉宽以及死区的影响仍不容忽视，由此使得逆变器的控制更加困难。 l 逆变单元串联多电平逆变器 逆变单元串联结构多级易于实现，无中点电位波动问题，逆变单元故障时可以将其旁路，可靠性高。整流逆变单元电路如图4所示，每个单相逆变单元都有独立的直流电源(SDC)为之供电，直流电源电压为Vdc，每个单相逆变单元分别可以输出Vdc、0、Vdc三种电平，逆变器串联，从而构成多级电平。单相全桥逆变器4个功率元件T1、T2、T3、T4，T1和T2导通时输出+Vdc(即+1电平)，T3、T4导通时输出Vdc(即1电平)，T1和T3导通时或T2和T4导通时输出零电平(用于SVC时4个功率元件T1、T2、T3、T4全部关断时输出零电平)。对于这种多电平逆变器，假设逆变单元串联级数为N，输出电平数为m，则有m2N1。 常见的逆变单元串联多电平变频器主电路结构如图5所示。逆变单元串联多电平变频器输入侧采用多重移相变压器，使输入电流接近正弦波，单相逆变单元串联输出多电平，使输出电压接近正弦波，将多电平与多重化结合在一起。 这种变频器的优点是:a) 这种结构无需箝位二极管，获得相同的电压电平数所需的功率器件数目最小。b) 可调节电路布局和封装，由于各电平的结构相同，没有附加的箝位二极管，易于实现模块化，生产维护比较方便。c) 逆变单元故障时可以旁路，提高可靠性。d) 多重化整流器使得电网输入电流谐波小，减小了电网污染。e)变频器输出电压谐波较小，电动机运转平稳，输出电压台阶较小，省去了滤波器，电平对于高压电动机绝缘较为有利，可以提高电动机寿命。 这种变频器的不足:作有功功率变换时，需要独立的直流电源，不能工作于背对背内联方式，有功电能回馈比较困难，难以实现四象限运行，从而制约了其动态性能的进一步提高。采用直接转矩控制有望解决这一问题，目前这种变频器主要应用在风机泵类负载调速场合。 3 国内外中压变频器应用现状 3.1 国外中压变频器应用现状 采用器件串联的方法，一般是传统的两电平电流型逆变器，如AB公司的老产品GTO电流型逆变器和新产品对称GCT(即SGCT)电流型逆变器。 逆变单元串联结构比二极管箝位多电平逆变器电路，多级电平易于实现，首先由美国ROBICON(罗宾康)公司推出产品，基于低压IGBT的使用经验，IGBT应用广泛，价格较低，不同的电压等级产品易于组合，便于生产。 浮动电容器多电平变流器只有法国ALSTOM公司应用，产品采用GTO器件构成了四电平变频器。 二极管箝位三电平变频器，国外厂家自80年代以来应用就很广泛，尤其在交流电力机车牵引领域占主导地位，ABB、西门子公司、三菱公司等都有三电平变频器产品。三电平变频器输出电压仍不能达到要求时，有时采用器件串联和多电平电路复合结构，如西门子公司在三电平逆变电路中同时采用2只IGBT串联的方法，实现4.16kV电压输出。 下面介绍国外几种典型的三电平变频器产品。 (1) 西门子公司IGBT三电平中压变频器 西门子公司采用高压IGBT(HV-IGBT)器件，逆变电路采用三电平结构研制了2.3kV、3.3kV和4.16kV三电平中压变频器，在3.3kV和4.16kV的装置中直流侧电压超过6kV，采用3.3kV的器件耐压不够，因而采用了2个器件串联的方式。电网侧一般采用12脉波二极管整流器，需要四象限运行的场合采用了有源前端AFE(Active Front End)，为三电平整流器供电，3.3kV和4.16kV的中压变频装置一相结构如图6 所示。 有源前端(AFE)变流器主电路采用IGBT三电平整流器或IGBT元件串联的三电平整流器，变压器为普通双绕组变压器。异步电动机的控制方法采用转子磁场定向控制，三电平逆变器采用SPWM控制方法。 (2) ABB公司的IGCT三电平变频器 ABB公司的4.16kV中压变频器主电路结构如图7所示，采用12脉波整流技术，采用ABB公司的5500V 的IGCT器件，主电路为三电平逆变电路，带有输出LC滤波器，输出线电压4160V，用于异步电动机的驱动，控制方法采用异步电动机直接转矩控制。 (3) 三菱公司的GTO三电平变频器 三菱公司的GTO三电平变频器用于电励磁同步电动机的控制，大容量的同步电动机调速系统在轧机传动中应用较广泛，日本三菱公司GTO变频调速装置采用双三电平PWM 同步电动机调速系统，三菱公司的GTO变频调速装置采用6kV的GTO器件，变频器输出电压为3300V，主电路如图8所示。输入整流电路和输出逆变电路都采用二极管箝位三电平结构，2个变流器的中点相连，采用同步电动机矢量控制方法，这种主电路结构能量可以回馈到电网，调速系统可以实现四象限运行，系统的动态性能较好。 3.2 国内中压变频器应用现状 近几年来，国内厂家陆续开始研制中压大功率变频器。目前，国内厂家绝大多数采用单元串联多电平逆变器结构，与美国ROBICON公司技术方案相同。 国外的中压变频器产品一般为4160V，配用国外的4160V电动机，对国内的6kV电动机需要增加输出变压器或采用Y转换方案，给国内的技术改造带来不便，对新项目也必须采用国外的4160V电动机。 中山市明阳电器有限公司研制的6kV中压变频器产品，适用于6kV中压电机驱动，与国内其它厂家不同的是其主电路技术方案采用了三电平方案，功率器件采用了ABB公司近年开发的IGCT器件，2只4500V的IGCT器件串联，装置额定输出电压6kV。明阳电器公司中压变频器主电路如图9所示。输入变压器是一个5线圈变压器，4个输出绕组电压相位依次移相22.5。、7.5。、7.5。、22.5。，为24脉波整流器供电，通过移相使变压器输入电流波形接近正弦波，减少了电网谐波污染，对谐波要求不高时也可以选用12脉波整流方案。 整流部分由4个三相二极管桥式整流器串联组成，滤波电容器的中点分别与整流电路和逆变电路的中点相连接，此外，直流侧还有di/dt限制电路、共模电抗器和保护用IGCT等。IGCT开关器件构成的三电平逆变器将直流电压逆变成频率可调的交流电压，三电平变频器主电路如图9所示。为了简便，图中只画出了12只IGCT器件构成的逆变器电路，2只4500V的IGCT串联时需要24只器，加上直流侧保护IGCT总共28只元件。三电平变频器一般需设置LC输出滤波器以降低输出电压的高次谐波，使输出电压波形接近正弦波，减小dv/dt，使三电平变频器可以用于普通电动机。 变频装置主要技术数据如下:额定容量1900kVA，额定功率1600kW，输出电压6000V，输出频率 060Hz。主变压器一次侧可以适应6kV、10kV等不同的电压等级，二次侧每个整流器(24脉波整流)输入电压 1730V，依用户要求可采用油浸式或干式变压器，电网不平衡10%，基波功率因数大于0.97，变压器最大电缆长度300m，内部风扇自冷却，光隔离模拟输入、模拟输出，光隔离可编程数字输入、数字输出。 这种变频器使用的IGCT器件是在GTO基础上发展起来的，将元件与驱动电路板集成在一起，光纤信号驱动，用户容易解决装置的抗干扰问题，装置的可靠性高，与同类产品比较，装置的体积较小，可靠性高。 4 大功率中压变频器发展趋势 电力电子器件在不断发展，也促使电路结构和控制技术不断改进，进而更新产品。目前，中压变频器呈现以下发展趋势: (1) 用于中压变频器的电力半导体器件， 目前主要是IGBT和IGCT。对于中压大功率变流器，IGCT电压电流定额较高，电路结构简单，装置可靠性高，更有发展前途，更为适用。 (2) 多电平结构是今后一个时期中压变频主电路的首选结构。 近几年来，自关断器件IGBT也向高压大功率方向发展，甚至出现了一些新器件如IGCT等。现在，IGBT等器件的耐压已达6kV，将来一个时期实用的元件的耐压水平可望稳定在6kV，但是对于国内中压6kV、10kV电动机驱动，6kV元件的二电平逆变器仍无法实现，元件的串联或采用多电平结构仍是不可避免的。元件的串联实现困难，而多电平结构实现容易，6kV、10kV变频驱动分别需要五电平和七电平实现，不用元件串联就可以解决元件耐压问题，此外还有许多好处，如电压矢量多、波形控制效果好、对电机绝缘有利等。多电平结构用于中压变频是非常有前途的，即使将来元件耐压很高时也仍然有应用的必要。 目前，三种多电平逆变器电路结构中，二极管箝位多电平变流器更有发展前途。与单元串联多电平变流器和浮动电容器变流器相比，二极管箝位多电平变流器可以组成背对背内联系统，能量双向流动，可以实现四象限运行，电路结构简单，更有竞争力，图10所示为背对背内联结构图。调速传动使用多电平逆变器，不仅能解决谐波和电磁干扰问题，还可以避免高频开关导致的电机损坏问题。用于调速传动时，调速传动系统工作于背对背内联方式时，主要问题是控制系统的设计和电容器的定额，因为调速系统要求能在不同的频率下工作，电容器的选择应避免动态过程中出现大的电压波动。 (3) 采用标准低压变频器组成的有输出变压器的中-低-中方案仍会占有一定的市场。 中压大功率传动产品中，风机和泵类负载电动机占有相当大的比例，对传动系统要求不高，在中压小功率产品方案中，中-低-中方案价格又有优势，投资回收期短，维护容易，受到部分用户欢迎。 (4) 器件串联方案将会局限于某些场合。 器件串联方案除可以用于电流源逆变器外，除非器件方面取得突破使器件串联非常容易，或厂家提供器件串联的成品装置，否则器件串联或并联给用户增加的困难会使这一方案无人问津，当然为了增加装置的可靠性器件串联除外。 5 结论 本文中介绍了中压变频技术方案，多电平结构是今后一个时期中压变频主电路的首选结构。与低压变频器不同，中压变频器目前还没有统一的电路结构，伴随着电力电子技术的进步，器件性能不断提高，会涌现出各种各样的电路结构，由此也会给电动机和变流器的控制技术带来新的变化。对于国内产品用户和厂家而言，现阶段首先应积累运行经验，改进产品以提高可靠性是首位，其次完善功能和提高控制性能。 参考文献 1 Finney D. 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