大容量多电平变换器发展概述

高压变频技术

主讲人：边春元2011年8月内容介绍高压变频器对电网的影响三电平PWM电压源变频器原理三电平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高压变频器对电动机的影响三电平PWM逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述IGCT系统现存问题初步探讨功率器件概述二、大容量多电平变换器发展概述1、大容量变换器分类和特点

大容量指功率等级在数百千瓦以上，而高电压指电压等级为3kv、6kv、10kv或更高。实现大容量变换的途径有高压或/和大电流，其中以高压大容量最为典型；又由于电机调速在工业应用中最广泛，所以高压大容量交流电机变频调速技术在大容量换流应用技术中最具代表性。

根据有无中间直流环节，交流变频器可分为交-交变频和交-直-交变频两种形式。交-直-交变频存在着中间直流储能环节，根据所用储能元件性质的不同，交-直-交变换器还可分为电流型和电压型两种。对于高压变换器来说，从高压构成的角度，又可有“高-高”和“高-低-高”方式两种划分。不同划分经适当组合就得到各种类型的高压大容量变换器。

二、大容量多电平变换器发展概述（续）二、大容量多电平变换器发展概述（续）

传统大功率变换电路

1）普通三相逆变器（两电平逆变器）

拓扑结构简单，依靠器件串并联，存在开关器件静态均压、动态均压、均流等问题。电压波动大，谐波大。

2）降压——普通变频——升压电路

两侧需大型变压器，体积大，成本高，变频部分采用交-直-交结构，输出变压器体积大。3）变压器耦合的多脉冲逆变器并联逆变桥来获得大电流。典型的48脉冲逆变器包括8个6脉冲逆变桥和8个曲折变压器，通过改变匝数比或联接方式耦合叠加出阶梯波，以减少谐波。成本大，损耗大，占用空间大，瞬态过程中变压器磁饱和引起直流磁化和浪涌过电压问题。6脉冲方式工作，使系统动态响应性能较差。二、大容量多电平变换器发展概述（续）4）交-交变频电路

可省去中间直流环节，体积小，重量轻，一次功率变换控制效率高。但是，输出频率低，最高输出频率一般为输入频率的1/3~1/2，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。

大容量交-交变频调速系统传统三相交-交变频电路优点：

由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。采用电网自然换流，只需一次换流就实现了变频，环流效率高，方便四象限运行，而且低频时输出波形接近正弦。二、大容量多电平变换器发展概述（续）缺点：

（1）晶闸管较多，接线复杂；（2）输出频率范围窄，只能为1/3~1/2的电网频率；

（3）采用相控整流，功率因数低。

传统的交-交变频主要用于大容量低速重载调速场合，如轧机主传动装置。由于晶闸管与GTO相比价格便宜很多，且器件单管容量可以很大，换流损耗小，该项技术已经非常成熟，所以自20世纪80年代以来，这种变频器应用得还是很多。针对交-交变频功率因数低，谐波污染较严重等缺点，人们提出了多种改进措施。在主回路的改进上，可以采取滤波或多重化等办法；在控制方法上，又提出了动态无功控制等方案。但是会增加系统的复杂性和成本。矩阵式三相交-交变频电路矩阵式交-交变频器能方便地实现N相输入-M相输出；按输入输出电源性质，可有电压源输入-电流源输出和电流源输入-电压源输出两种形式。二、大容量多电平变换器发展概述（续）二、大容量多电平变换器发展概述（续）优点：

（1）换流效率非常高，损耗主要是器件开关损耗；

（2）能实现四象限运行和任意功率因数，所需滤波元件容量小，系统动态响应快；

（3）控制特性好，可对输出电压和频率及输入电流和相位分别控制，且双边谐波含量少。缺点：

要求较高频率的大容量双向开关（数千至数十千赫），控制对象复杂，且电压利用率较低。发展：

随着高压大容量IGBT、IGCT研制的成功，通过图中（b）~（d）所示器件的组合也可以实现双向开关，从而使高性能、高效的电力变换成为可能。二、大容量多电平变换器发展概述（续）高压大容量交-直-交变换器由于传统交-交变频器的固有缺点难以克服，矩阵式交-交变频器发展的又不够成熟，因而交-直-交变换器必将在今后较长一段时期内继续在市场占据主导地位。高低高型交-直-交变换器输入为降压变压器，输出为升压变压器，中间为低压变压器。当系统容量较大时，中间低压环节电流过大，需要解决多个器件并联的均流问题，使可靠性下降；变压器因谐波而发热，效率降低；低频时输出变压器能量传输困难，不适合低频重载场合。通过变压器多重化可以解决其谐波问题和扩大容量，但是增加了成本，因而这种变换方式不适合向更大容量方向发展。二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）直接高压型交交-直-交变换器近年来，高开开关频率、低低损耗、高压压大电流IGBT和IGCT的异军突起使使直接高压型型变换器成为为可能。直接高压电流流型变换器在中大容量的的调速场合应应用很广。二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）优点：（1）存在直直流电感，整整流侧和逆变变侧的短路保保护较容易，，可靠性高；；

（2）采用相相控整流，电电流相位可调调，可进行能能量回馈和四四象限运行；；

（3）输出滤滤波电容使输输出电压dv/dt很小，传输电电缆可以较长长；

（4）不考虑虑共模电压，，电机绕组的的电压应力小小，无须降额额运行。缺点：由于开关器件件SCR、GTO开关频率低，，存在：（1）相控整整流的谐波污污染和功率因因数低下对电电网构成威胁胁；

（2）没有输输出滤波电容容时，输出谐谐波含量高，，低频转矩脉脉动大，启动动转矩小；（（3）系统动动态响应慢；；

（4）输出频频率范围窄；；（5）没有输输入隔离变压压器时，逆变变器输出的共共模电压大，，甚至破坏电电机绕组对地地的绝缘。二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）发展：由于高压大容容量IGBT、IGCT的实用化，电电流型变换器器正在向直流流母线电流可可调（动态响响应好）、整整流逆变均进进行脉宽调制制（谐波含量量低）的方向向发展。由于于其本身所固固有的短路保保护的特性，，这种变换器器应该具有很很好的发展前前景，虽然控控制比电压型型变换器要复复杂一些，但但是随着高速速处理芯片的的推出，控制制上复杂性都都不成问题。。直接高压电压压型变换器由于控制上的的相对简单和和良好的调速速性能，电压压型变换器在在中小容量应应用领域占绝绝对优势。依靠GTO、IGBT等器件的串并并联可实现两电平直接高压大功功率逆变电路路，电路结构构简单，但串串并联将带来来开关器件的的静态、动态的的均压和均流流等一系列问题题。技术上的的不确定因素素影响大，可可靠性不高，，且由于输出出只有两个电电平，dv/dt大，谐波含量量高，电磁干干扰问题严重，因因而在大功率率换流中应用用不多。二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）共模电压问题题：共模电压是指指电机中点对地地电压偏移。高的共模电电压会危及电电机绕组对外外壳的绝缘。。如图所示，设设电机中点与与电网接地点点分别为n，N，则电机共模模电压为VnN。其表达式推推导如下：二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）电机相电压为为：由电机输入电电压三相对称称，有：可得：又因：故：二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）其中，ZnN为电机绕组中中点对地阻抗抗。由以上可得：：共模电压最大大值为直流母母线对地电压压峰值（即线线电压峰值）），最小值为为直流母线对对地电压最小小值（即相电电压最小值））。对电压型逆变变器来说，输出电压电平平越少，共模模电压幅值越越高。电机绕组中点点对地漏电流流为：二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）新型多电平电电压型变换器器在传统电路中中，输出为单单一的直流源源，只能对一一个恒定幅值值的直流电压压进行脉宽调调制，输出为为幅值恒定的的PWM波。若设直流流源电压为Vdc，以低电压节节点为零电位位点，经过电电力电子变换换电路之后，，得到的输出出PWM脉冲波只有两两种电平0和Vdc，称之为两电平电路。

两电平直直接高压逆变变器存在很高高的dv/dt和共模电压，，威胁电机绕绕组绝缘；为为了解决串联联器件同时导导通和关断的的问题，发展展了多电平变换器器。多电平电路：：二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）日本长冈科技技大学的南波波江章（A.Nabae）等人于1980年在IEEE工业应用年会会上提出三电电平中点箝位位式结构以来来，多电平逆逆变器的拓扑扑结构主要发发展出以下三三种电路：1）二极管箝位式式（Diodeclampedtopology）2）电容箝位式（Capacitorclampedtopology）3）直流电源隔离离的单元逆变变桥串联式（cascadedtopology）多电平结构更更适合高压大大容量场合，，输出电压可可更接近正弦弦波，谐波含含量小；dv/dt小，电磁干扰扰问题大大减减轻；效率高高。消除同样谐波波：两电平采用PWM控制，开关频频率高、损耗耗大；多电平平逆变器可用用较低频率进进行开关动作作，开关频率率低、损耗小小、效率高。。二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）二极管中点箝箝位的多电平平逆变器二、大容量多多电平变换器器发展概述（（续）特点：采用多个二极极管对相应开开关元件进行行箝位，以保保证每次一个个桥臂只有一一个开关动作作，并实现多多电平输出，，而每个开关关器件只承受受1/2的直流流母线线电压压。缺点：：当电平平数较较多时时，箝箝位二二极管管将承承受不不同反反压，，开关关元件件所需需额定定电流流不同同，还还有电电容电电压的的平衡衡问题题。电容箝箝位的的多电电平逆逆变器器工作原原理与与二极极管箝箝位电电路相相似。。电容的的引进进使电电压合合成的的选择择增多多，开开关状状态的的选择择具有有更大大的灵灵活性性；大量的的电容容使体体积庞庞大、、占地地多、、成本本高、、封装装不易易。通过同同一电电平上上不同同开关关状态态的组组合，，能使使电容容电压压保持持均衡衡，可可较好好地应应用于于有功功调节节和变变频调调速系系统，，但控控制较较复杂杂。二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）直流电电源隔隔离的的单元元逆变变桥串串联式式多电电平逆逆变器器二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）优点：：1）不不存存在电电压均均衡问问题；；2）无无需需箝位位二极极管或或电容容，适适于调调速控控制；；3）模模块块化程程度好好，维维修方方便；；4）对对相相同电电平数数而言言，所所需器器件数数目最最少；；5）可可实实现更更多电电平，，上高高电压压，实实现更更低谐谐波；；6）控控制制方法法简单单，可可分别别对每每一级级进行行PWM控制，，然后后进行行波形形重组组。缺点：：需要很很多隔隔离的的直流流电源源，应应用受受到限限制。。综上所所述，，二极管管和电电容箝箝位式式多电电平逆逆变器器由于于电容容均压压问题题，比比较适适合应应用于于无功调调节，而在在有功功传递递，如如电机机调速速方面面控制制较难难，需需要实实施额额外的的算法法。二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）三电平平NPC（NeutralPoint-Clamped）电路路：虽存在在均压压问题题，但但在大大容量量交流流电机机调速速领域域还是是应用用得很很多。。原因：：高耐压压器件件很适适合三三电平平NPC电路，，电容容电压压的均均衡问问题可可通过过控制制解决决。这种拓拓扑与与交流流电机机的矢量控控制理理论和和直接接转矩矩控制制理论结结合起起来时时，就就使大大容量量交流流电机机调速速系统统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与现代电电机控控制理理论结合，，高性性能四四象限限大容容量交交流电电机变变频调调速在在交流流传动动领域域的应应用将将成为为可能能。多电平平变换换器的的特点点：（1）输输出出电平平数增增加，，输出出波形形阶梯梯增多多，更更加接接近目目标调调制波波（一一般为为正弦弦波））；（（2）降降低低了输输出电电压的的跳变变；二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）（3）输输出出电压压谐波波含量量减少少；（（4）阶阶梯梯波调调制时时，器器件在在基频频下开开通关关断，，损耗耗小，，效率率高。。三电平平变换换器的的相电电压输输出波波形二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）五电平平电路路的典典型输输出线线电压压波形形二、大大容量量多电电平变变换器器发展展概述述（续续）多电平平电路路波形形质量量较优优，在在同样样的开开关频频率下下，多多电平平电路路输出出的谐谐波分分量低低于两两电平平电路路的输输出，，反之之，达达到类类似的的输出出波形形质量量，多多电平平电路路的开开关频频率可可以很很低。。多电平平电路路还具具有dv/dt较小，，共模模电压压较小小的优优点。。直接高高压型型变换换器将是大大容量量功率率变换换器的的发展展方向向。其其中采采用IGBT或IGCT的直接高高压电电流型型变换换器与与三电电平NPC电路、、单元元逆变变桥串串联式式多电电平变变换器器各具特特色，，将共共同主主导今今后的的大容容量功功率换换流市市场。。2、新型型多电电平变变换器器的分分类及及模型型采用新新型可可控器器件，，实现现高压压大容容量的的途径径有：：1）通通过过多电电平平逆逆变变器器实现现高高压压；；2）通通过过器件件的的并并联联实现现大大电电流流；；3）采采用用多相相电电机机。二、、大大容容量量多多电电平平变变换换器器发发展展概概述述（（续续））电压型多电平DC-AC变换器箝位型拓扑级联型拓扑二极管箝位型电容箝位型混合箝位型通用箝位型……H桥串联型开绕组双端供电型三相逆变器串联式型多电电平平变变换换器器的的分分类类二、、大大容容量量多多电电平平变变换换器器发发展展概概述述（（续续））多电电平平变变换换器器的的基基本本模模型型根据据直直流流电电压压源源的的性性质质和和串串联联方方式式不不同同，，可可将将多多电电平平变变换换电电路路分分为为：：1）若若干干直直流流电电压压源源直直接接串串联联通通过过开开关关输输出出；；2）独独立立直直流流电电压压源源通通过过开开关关串串联联输输出出。。若干干直直流流电电压压源源直直接接串串联联通通过过开开关关输输出出的的多多电电平平变变换换电电路路二、、大大容容量量多多电电平平变变换换器器发发展展概概述述（（续续））独立立直直流流电电压压源源通通过过开开关关串串联联输输出出的的多多电电平平电电路路3、多多电电平平变变换换器器的的应应用用二、、大大容容量量多多电电平平变变换换器器发发展展概概述述（（续续））高压压大大容容量量多多电电平平变变换换调调速速装装置置的的国国内内外外生生产产厂厂商商及及其其产产品品型型号号和和容容量量变换器类型开关器件功率范围制造厂