级联型中高压变频器主电路结构及工作原理

1、级联型中高压变频器主电路结构及工作原理摘要:级联型中高压变频器将若干个独立的低压功率单元的输出串联,实现高压输出。电网电压经过移相变压器降压后给功率单元供电，每个功率单元分别由输入隔离变压器的一个二次绕组供电，变压器二次绕组之间相互绝缘。功率单元为三相输入的整流电路和单相输出的交-直-交电压源型逆变器结构，将相邻的功率单元串联起来构成单相，三相输出丫型联结。关键词：中高压变频器功率单元逆变器变压器级联型中高压变频器将若干个独立的低压功率单元的输出串联，实现高压输出。5个功率单元串联输出6kV电压的原理如图1(a)所示,主电路结构如图1(b)所示,电网电压经过移相变压器降压后给功率单元供电，每个

2、功率单元分别由输入隔离变压器的一个二次绕组供电，变压器二次绕组之间相互绝缘。功率单元为三相输入的整流电路和单相输出的交-直-交电压源型逆变器结构，如图1(c)所示，将相邻的功率单元串联起来构成单相，三相输出Y型联结。功率单元的电压等级和串联数量决定变频器的输出电压，功率单元的输出电流决定变频器的输出电流。由于采用整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题，也不存在二极管嵌位电路或电容嵌位电路引起的直流侧分压电容电压不均衡问题，但是串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求较高。这种变频器的一个发展方向是采用额定电压较高的功率单元串联在达到满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少单相串

3、联单元的个数，提高系统可靠性。1多重化整流电路由于中高压变频器容量一般较大，且应用日趋广泛，对电网谐波污染的问题已经不可忽视，国际上对谐波污染控制的标准中，应用较普遍的是IEEE519-1992,我国也有相应的谐波控制标准，应用较为广泛的是国标GB/T14549-93电能质量公用电网谐波。IEEE519-1992标准规定在电网短路电流小于20倍负载电流时总谐波电流失真小于5%。变频器对电网的影响主要取决于变频器整流电路的结构和特性。在变频器中常用的是电压型二极管整流电路，它的输入谐波电流取决于电网侧阻抗和直流电抗器的大小，由于采用二极管不可控整流，换相在对应线电压最小时才发生，导致di/dt非

4、常小，由于换相重叠角与输入电抗有关,当电源侧阻抗较大时，换相更加缓慢，使高次谐波电流相对于晶闸管整流电路大大降低，但与规定的5%的谐波电流失真率相比仍然较大。为了解决这一问题，有以下三种解决办法。在整流桥输出和滤波电容之间串入直流电抗器，这样可以减少输入电流的谐波含量，然而也会带来弊端，影响滤波电容对变压器输入浪涌电压的吸收效果。利用多重化整流电路减小输入电流的谐波。采用12脉波整流电路后，其网侧电流仅含次谐波，谐波含量随谐波次数的增大而迅速下降，也随脉波数的增大而减少，因此电流谐波含量会大大降低。除了6脉波、12脉波整流电路结构外，还可采用更高脉波数的结构，如18脉波、24脉波，输入谐波也会

5、随着降低，但导致系统结构更加复杂，成本增加。整流侧采用PWM整流电路，通过PWM控制使电网输入电流接近正弦波，谐波电流很低，但大大增加了系统的复杂性和成本。如果级联型中咼压变频器的输入变压器仅仅起到隔离和变压的作用,各绕组的相位一致，将导致输入电流的谐波含量超过给定标准，对电网造成严重污染。因此，一般级联型中高压变频器的输入变压器采用移相设计，以达到降低输入谐波电流的目的。对单相个功率单元串联的结构，变压器的个绕组采用延边三角形联结，依次相差电角度，分别给个单元供电，形成脉波的整流电路。各单元流过整流电路的电流经过变压器折算到一次侧后，输入电流中仅含谐波次谐波，大大减少了输入电流的谐波含量，假

6、定5个功率单元串联，形成30脉波的整流电路,网侧电流仅含次谐波，总的电流失真率可低于1%,不加任何滤波器就可满足电网对电流谐波失真的要求。另外，各次谐波电流的有效值与谐波次数成反比，与基波电流的比值是谐波次数的倒数。在相同负载的情况下，多重化整流电路的基波电流与电压的相位差的余弦值即位移因数都是，不随整流脉波数的增加而提高，但基波因数随脉波数的增加而提高，所以总体输入功率因数也相应提高。对于二极管整流电路而言，相电流相对于相电压的延迟角一般小于，对应的位移因数大于0.966所以采用多重化（18脉波以上）的二极管整流电路，总的输入功率因数基本上可保持在0.95以上。采用二极管整流电路的另一个优点

7、是变频器对浪涌电压的吸收能力较强，雷击或操作过电压可以经过变压器（变压器的阻抗一般为8%左右）产生浪涌电流,经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。另外，变压器一次侧安装了压敏电阻吸收装置，起到进一步的保护作用。而一般的电流源型变频器，输入电阻很高，对浪涌电压的吸收效果远不如电压型变频器。因此,由于采用了多重化整流电路，级联型中高压变频器的输入功率因数较高，串联单元的个数越多，对电网的污染越小，当然，单元个数的增多也增大了变压器的制造难度。2逆变电路结构2.1传统级联型多电平逆变电路传统级联型多电平逆变电路是指多个同样的单相电压型H桥直接串联(以后称单相

8、H桥)。当时,称为传统级联型多电平逆变电路。除了具有多电平共同的优点之外，这种电路的主要特点有以下几点。直流侧米用独立直流电源，不存在电压均衡问题。对于输出相同的电平数，与其它拓扑结构相比，所需器件个数最少。实际应用中，嵌位式电路在五电平以上的应用较少，而级联型可以产生更高电平，使用于更高电压，谐波含量更少，由N个单相H桥组成三相电路，输出相电压电平个数是2N+1,线电压电平个数是4N+1。控制方法比较简单，每个单相H桥都是PWM控制，再进行波形重组。由于每个单相H桥结构相同，给模块化设计带来方便，且装配简单,系统可靠性高。另外，容易实现冗余设计，一个单元出现故障而被旁路后，可以用剩余模块降额

9、运行或用冗余模块代替继续满额运行。单元串联主要的缺点是需要多个独立的直流电源，变压器造价较高,应用受到一定限制。2.2混合级联型多电平逆变电路为了减少单元模块个数的同时增加输出电压的电平数和提高波形质量，许多学者提出了混合级联型多电平逆变电路，主要包括两种情况,一是各个级联单元的直流侧电容电压不同；二是级联单元的逆变结构不同。级联单元的逆变结构可以有多种结构，包括单相H桥、二极管嵌位式多电平、电容嵌位式多电平等，这些结构相互组合可以构成不同的级联型多电平逆变电路，再与不同的直流侧电容电压进行组合得到更多种类的拓扑结构。本文只对其中应用较广的几种结构进行分析。另外，当串联单元的逆变结构不同时，又可以组成新型的混合级联型多电平逆变器，研究较多的是级联单元为二极管嵌位式或电容嵌位式结构，而且一般为3电平嵌位式，称为3-H结构,这样就又出现了3-H/3-H和2-H/3-H两种拓扑结构，利用最大扩展原则可以确定各个单元的直流侧电容电压比，很容易得到输出的最大电平数。如表1所示,2-H/2-H混合级联型逆变器在不同直流电压比的情况下输出相电压的电平数和器件数的比较（其中N为