（控制科学与工程专业论文）中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究.pdf

t h er e s e a r c ho nn e u t r a lp o i n td r i f t i n gt e c h n o l o g yf o rc e l l sc a s c a d e d h i 曲v o l t a g ei n v e r t e r b y x uz h e n ( s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：锋坂日期： z 矿年，月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 么扳 懒 日期： 沙ff 年9 月z s - 日 日期：1 - t 1 1 年厂月万日 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 摘要 随着电力电子技术和计算机技术的发展，具有良好性能的高压变频器越来越 被广泛应用。高压变频器能解决大功率风机、水泵类负载的软启动问题、调速问 题，同时带来显著的节能效果。级联型高压变频器因其低谐波含量、高功率因数 和完美的输出波形，获得了广阔的市场应用和良好的发展空间。 载波相移s p w m 技术可以在较低的器件开关频率的基础上实现较高的等效 开关频率，将其应用在级联型高压变频器可有效的提高变频器的输出性能。输出 电压的性能与载波相移的角度日有关。 高压大功率系统一般要求很高的稳定性。特别是对于像能源、电力、石化、 采矿等重要场合，系统出故障是不允许的。如果设备无故停机，将会造成巨大的 人民生命财产损失。 本文对级联型高压变频器做了深入的研究，重点研究载波相移s p w m 技术和 中性点漂移技术。全文主要内容有以下几个方面。 ( 1 ) 本文分析了1 8 0 。n 和3 6 0 。n ( n 为功率单元级联数) 两种相移方式的 特点。通过理论分析和大量的m a t l a b s i m u l i n k 下的仿真结果得到一些有用的 结论。变频器的输出性能与功率单元级联数n 有关，当n 为奇数时，两种相移方 式的输出性能相差不大；当n 为偶数时，系统的等效开关频率、谐波分布和输出 电压的电平数在两种相移方式下有区别。最后的结论是：1 8 0 。相移方式优于 3 6 0 。n 相移方式。 ( 2 ) 在前面对功率单元级联数目和谐波分布之间关系的基础上，本文提出 了一种基于相同线电压谐波频带的中性点漂移技术。该方法通过对载波相移角度 和频率调制比等参数的优化，实现了三个线电压的高次谐波频带保持一致。与常 规的故障功率单元处理方法相比，该方法能增加输出线电压的幅值，同时能减少 t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 。通过仿真验证了该方法的有效性。 ( 3 ) 文章最后给出了6 k v 1 6 0 0 k v a 变频器的实验波形。实验结果同样验证 了前面理论分析的正确性。 关键词：高压变频器；s p w m ；中性点漂移；谐波 i i 硕士学位论文 a b s t r ac t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y h i g h p e r f o r m a n c eh i g hv o l t a g ei n v e r t e rh a sb e e na p p l i e de x t e n s i v e l y i tc a ns o l v et h e p r o b l e m so fs o f ts t a r ta n ds p e e dr e g u l a t i o no i lh i g hp o w e rf a no rp u m p ，a n dc a ns a v e e n e r g yr e m a r k a b l y b e c a u s eo fi t sl o wt h d ，h i g hp o w e rf a c t o ra n dp e r f e c to u t p u t w a v es h a p e ，c e l l sc a s c a d e dh i g hv o l t a g ei n v e r t e rh a sw i d ea p p l y i n gp r o s p e c ta n d c a p a c i o u sd e v e l o p i n gs p a c e c p s s p w mc a ng e tt h eh i g he q u i v a l e n ts w i t c hf r e q u e n c yw i t hl o wi g b ts w i t c h f r e q u e n c y s ot h ep e r f o r m a n c eo fo u t p u tv o l t a g eo ft h ec e l l sc a s c a d e dh i g hv o l t a g e i n v e r t e rc a nb ci m p r o v e dw h e nc p s s p w mi s a p p l i e d t h ep e r f o r m a n c eo fo u t p u t v o l t a g eh a ss o m e t h i n gt od ow i t ht h ec a r r i e rp h a s e s h i f e da n g l e0 t h eh i g hv o l t a g eh i g hp o w e rs y s t e md e m a n d sh i g hr e l i a b i l i t y e s p e c i a l l yf o rs o m e i m p o r t a n to c c a s i o n ss u c h a s e n e r g y ，e l e c t r i cp o w e r ，p e t r o l e u m ，m i n ea n dc h e m i c a l i n d u s t r y , m a l f u n c t i o ni sf o r b i d d e n ，a n dm a c h i n eu n e x p e c t e ds t o pc a nb i n ga b o u t e n o r m o u sl o s so f p r o p e r t ya n dt h ep e o p l e s sl i f e t h et h e s i sh a sc o n d u c t e dt h o r o u g hr e s e a r c ho nc e l l sc a s c a d e d h i g hv o l t a g e i n v e r t e r s s t u d i e dt h ec a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u e ( c p s s p w m ) a n dt h e n e u t r a lp o i n td r i f t i n gt e c h n o l o g y t h et h e s i si n c l u d et h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) t w od i f f e r e n tc a r r i e rp h a s e s h i f t e da n g l e so f18 0 。na n d3 6 0 。( ni st h e n u m b e ro fc a s c a d eu n i t ) a r ea n a l y z e db ym a t h e m a t i c si l l a t i o n i nt h i st h e s i s s o m e u s e f u lc o n c l u s i o n sa r eg o tf r o mt h em a t h e m a t i c sa n a l y s i sa n dm a n ys i m u l a t i o n s r e s u l t sb ym a t l a b s i m u l i n k t h ei n v e r t e rp e r f o r m a n c eh a sr e l a t i o nw i t ht h en u m b e r o fc a s c a d eu n i t w h e nni so d d ，t h ed i f f e r e n c ei sl i t t l e b u ti fni s e v e n 。e q u i v a l e n t s w i t c hf r e q u e n c y ，h a r m o n i cd i s t r i b u t i o na n dn u m b e ro fo u t p u tv o l t a g el e v e lw i l lb e d i f f e r e n t t h er e s u l ti st h a tt h e18 0 。nm o d ei sb e t t e rt h a n3 6 0 。n ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e l a t i o nb e t w e e nc a r r i e rp h a s e - s h i f t e da n g l ea n d h a r m o n i cd i s t r i b u t i o n ，n e u t r a lp o i n td r i f t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nt h es a m eh a r m o n i c d i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e di n t h i st h e s i s w i t hc a r r i e r p h a s e s h i f e da n g l e ，f r e q u e n c y m o d u l a t i o nr a t i oo p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y ，t h eh a r m o n i cd i s t r i b u t i o no ft h r e el i n e v o l t a g e sk e e pt h es a m e t h eo u t p u tv o l t a g ei si n c r e a s e da n dt h et h d i sd e c r e a s e dt h a n t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h e v a l i d i t yo ft h ep r o p o s e d m e t h o d m ( 3 ) t h ep a p e rf i n a l l yg i v e st h ee x p e r i m e n t a lw a v eo f a6 k v 16 0 0 k v ai n v e r t e r t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ea c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dt a r g e t ，a n da l s ov e r i f yt h ev a l i d i t y o ft h ea c a d e m i ca n a l y s i s k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g ei n v e r t e r ；s p w m ；n e u t r a lp o i n td r i f t i n g ；h a r m o n i c i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 。1 1 课题背景和意义1 1 2 高压变频器的现状2 1 3 高压变频器的发展趋势4 1 4 论文主要内容及工作：5 第2 章多电平变流器拓扑及工作原理一6 2 1 箝位型多电平变流器6 2 1 1 二极管箝位型多电平变流器6 2 1 2 电容箝位型多电平变流器8 2 2 级联型多电平交流器1 0 2 2 1 旁路开关柜1 3 2 2 2 移相变压器一1 3 2 2 3 功率单元1 9 2 3 谐波对电机的影响一2 0 第3 章基于载波相移角度的变频器谐波频带分析2 1 3 1 高压变频器的调制策略：2 l 3 1 1 阶梯波脉宽调制2 2 3 1 2 基于载波组的p w m 技术2 3 3 1 3 多电平电压空间矢量调制2 3 3 1 4 载波相移s p w m 技术2 4 3 3 基于载波相移角度的变频器输出性能及谐波仿真k 2 5 3 3 1 基于相移角度s p w m 技术的原理2 5 3 3 2 仿真与分析2 7 第4 章基于中性点漂移技术的变频器故障处理3 4 4 1 功率单元故障处理技术3 4 4 1 1 同级旁路技术3 4 4 1 2 中性点漂移技术3 5 4 2 基于相同线电压谐波频带的中性点漂移技术3 6 v 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 4 2 1 中性点位置的确定- 3 6 4 2 2 移相角度的确定3 7 4 2 3 频率调制比的确定3 8 4 2 4 仿真结果及分析3 8 第5 章变频器控制系统结构及实验4 6 5 1 控制系统原理4 6 5 。2 变频器的保护功能4 7 5 3 功率单元旁路流程4 8 5 4 实验结果4 9 结论51 参考文献5 3 附录a 攻读学位期间发表的论文情况5 7 附录b 攻读学位期间参与科研工作情况5 8 致谤 5 9 v i 硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 2 0l0 年，电力消费需求总体保持旺盛，全国去年用电量突破4 亿千 瓦时，“十一五”期间年均增长1 1 0 9 。尽管基建新增装机连续5 年超过 9 0 0 0 万千瓦，年底发电设备装机容量达到9 6 亿千瓦，但供应能力总体 不足。据中国电力企业联合会预测，2 01 1 年全国全年用电量将达到4 7 万亿千瓦时左右，全年预计新增装机9 0 0 0 万千瓦左右，年底全国装机容 量超过1o 4 亿千瓦。我国电动机系统的用电量占全社会总用电量的6 0 7 0 ，而中高压电动机更是用电“大户 ，其用电量约占电动机总用电量 的5 0 。对中高压电机进行改造，有巨大的节能空间。 变频调速具有诸多优点：优异的调速和起动性能、高效率、高功率 因素、显著的节能效果和广泛的使用范围等，因此被国内外公认为最有 发展前途的调速方式。特别是在中高压领域( 3 k v 、6 k v 和1o k v 等电压 等级) ，实际工业生产中，特别在电力、钢铁、化工、水泥等行业，大量 应用风机、水泵类负载。这些负载一般都不要求四象限运行，而且不会 过度频繁的调速，对调速的精度也没有过高的要求。这些场合的变频器 可以采用二极管全桥整流，不仅可以简化系统的结构，减小控制的复杂 度，还能节约大量的成本。且风机、水泵类负载一般采用挡板和阀门的 方式来调节风量和流量，很大一部分的电能浪费在挡板和阀门上，能量 损失严重。t 理论上，风机、水泵类负载的流量、压力和轴功率分别与龟 机转速、电机转速的平方和电机转速的立方成正比。经过简单计算可以 知道，如果使用控制电机的转速的方式来控制风量和水量，完全可以节 约大量的电能。2 0l0 年11 月2 9 日，国家发改委公布了国家重点节能 技术推广目录( 第三批) 。目录中第6 条高压变频调速技术，涉及电力、 钢铁、化工、水泥等行业，可实现变频调速系统的高输出功率( 功率因 数 o 9 5 ) ，同时消除对电网谐波的污染，对中高压、大功率风机、水泵 的节能降耗作用明显，平均节电率在3 0 以上。值得注意的是，目前高 压变频调速技术在全国的推广比例仅约为15 ，据有关部门预计，2 0 15 年该比例可达到5 0 。也就是说，我国的高压变频器市场潜力巨大，应 用前景广阔。 变频调速技术涉及电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为 代表的近代交流调速技术有了飞速的发展。变频调速理论已经成为一个 比较完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。 电力电子器件各项性能在不断提升，与此同时以d s p 、f p g a 、c p l d 为代表的芯片功能不断增强，这些都使采用功率单元级联实现高压、大 功率的变频调速装置可以真正用于工程实践。而且各种好的控制算法也 可能应用在它上面，不断提升、完善变频器的性能【2 ，3 】。功率单元级联型 高压变频器最早是由美国的罗宾康公司提出，之后成为了国内外交流变 频调速领域的研究热点【4 6j 。变频器输入侧采用移相变压器，结合功率 单元的二极管全桥整流，可形成多脉波整流的效果，输入侧的谐波含量 很小。系统采用多电平输出，输出波形接近正弦波，谐波含量、d u d t 等各项性能的参数均能达到国际上和国内的相关要求，同时能满足用户 的基本要求。各个功率单元采用独立的电源供电，所以不存在元件之间 的动、静态均压问题。特别是对电网污染小、对电机冲击小、节能等诸 多优点使得h 桥功率单元级联型成为高压、大功率变流领域的主流拓扑 结构 7 1 。 本课题是我在株洲变流技术国家工程研究中心有限公司变频器事业 部实习时参与的研究项目。高压变频器的设计、生产、调试、安装、应 用时一个复杂的系统工程。特别是设计这一环节，仿真研究可以节约大 量的人力、物力，还能缩短设计的周期，因此对高压变频器的仿真研究是 很有必要的。级联型高压变频器通常采用载波相移s p w m 技术，其中载 波相移角度的选择很关键，直接关系到系统输出性能的好坏。高压、大 功率领域的变频器都由很多元器件组成，有可能某些元器件会出现故障， 出于对变频器和负载的保护考虑，变频器会停止输出，负载也会随之停 机。中性点旁路技术是基于级联型变频器的故障处理技术，能在功率单 元出现故障时，将故障的功率单元旁路，负载继续运行。本文重点对载 波相移s p w m 技术和中性点漂移技术进行了深入的研究。 1 2 高压变频器的现状 通常，我们把用于驱动lk v 以上交流电机负载的中、大容量变频器 称为高压交频器。目前世界上低压变频器的主电路具有成熟、一致的拓 扑结构。而在高压领域，因电力电子器件耐压等级和开关频率的限制， 以及不同电压等级和负载设备不同的驱动要求， 商采用不同的电力电子器件和不同的主电路拓扑 电力电子器件的类型从晶闸管( s c r ) 、f - j 极 2 硕士学位论文 双极性晶体管( g t r ) 发展到绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、集成门极换 流晶闸管( i g c t ) 、对称门极换流晶闸管( s g c t ) 、智能功率模块( i p m ) 等，其功率等级从几十千瓦增加到几十兆瓦，生产技术越来越成熟，应 用范围也越来越广。电力电子器件制造技术的每次创新和发展，都推动 了变频调速技术的更新和进步。特别在大功率变流的场合，人们往往希 望电力电子器件的耐高压等级尽可能高、开关速度尽可能快、允许通过 的电流尽可能大、损耗尽可能小。经过大量的探索，现代的电力电子器 件正向着大容量、高频率、低损耗、智能化合模块化的方向发展【8 】。不 同的电力电子器件有着各自不同的特点：g t o 具有诸多优点，如：管压 降小、耐压等级高、电流密度大等，但是其驱动电路复杂，驱动功率大， 需加缓冲电路，在高压变频器中的应用受到了一定的局限。i g c t 关断 时间短、功耗小、开关频率高，是比较理想的开关器件之一。i g b t 具 有开关损耗小、耐脉冲电流冲击、通态阻抗小、输入阻抗大、驱动功率 小等优点，目前国内外很多高压变频器都用其作为关键器件。在电力电 子器件的选择上，国内外变频器制造厂商各显神通。如a b b 公司研制的 i g c t 直接串联三电平式变频器、a b 公司以前生产的g t o 电流型变频 器和新型的s g c t 电流型变频器。国内的北京利德华福技术有限公司、 株洲变流技术国家工程研究中心有限公司、成都佳灵电气公司等知名企 业的主流产品则普遍采用i g b t 作为开关器件。 另一方面，经过多年的研究和实际工程应用发现，主电路的拓扑结 构对于提升高压变频器的性能起着重要的作用。交流功率变换装置的分 类如图1 1 所示。根据电压传输过程中有无中间直流环节，可分为交直 交型和交交型。按照电压的组成来划分，高压变频器可分为直接高压 型和间接高压型。其中的间接高压型在输入侧使用降压变压器，通过低 压变频器变频后，再使用升压变压器提升电压，实现高压变频的目的。 但是其可靠性低，效率低，谐波含量高，应用范围有限。高压型变频器 一般用电容或电感作为中间直流环节储能元件，对应的变频器的类型分 别为电压型和电流型。因为像发电机、电网、蓄电池等电源都是电压源， 而且电容器在储能效率、体积和价格等方面都比电感器具有明显的优势， 所以目前高压变频器的研究和应用以电压型为主流。随着科技的发展和 技术的进步，特别是超导技术的应用，若能解决电感器储能效率的问题， 和使电源具有电流源性质的问题，电流源型高压变频器的应用将更加广 泛。 3 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 萋茳d 一压型寒惹联型 4 硕士学位论文 为人们服务。 1 4 论文主要内容及工作 本文以级联型高压变频器为研究对象，对载波相移s p w m 技术和中 性点漂移技术做了深入的研究，结合大量的仿真实验得到很多有用的结 论。本文各个章节的研究内容安排如下。 第1 章绪论。阐述本课题选择的背景及意义、高压变频器的发展现 状和发展趋势，并给出本文各个章节的内容安排。 第2 章多电平变流器拓扑及工作原理。介绍几种高压领域用变流器 的常用拓扑，分析几种拓扑结构各自的优缺点及使用场合，对本文的研 究对象级联型高压变频器的结构、原理做详细介绍，介绍谐波对电机 的影响。 第3 章基于载波相移角度的变频器谐波频带分析。论述几种常用的 调制策略，分析各种策略的特点及应用的场合，详细介绍载波相移s p w m 技术的原理，搭建s i m u l i n k 平台下的仿真平台，通过仿真揭示两种相 移角度下输出性能，特别是谐波分布之间的关系。 第4 章基于中性点漂移技术的变频器故障处理。介绍功率单元故障 时的两种处理技术：同级旁路技术和中性点漂移技术，重点介绍中性点 漂移技术的相关控制策略，并提出一种基于相同线电压谐波频带的中性 点漂移技术，通过仿真验证该技术的正确性。 第5 章变频器控制系统结构及实验介绍。6 k v 16 0 0 k v a ，5 级联高 压变频器控制系统的结构、原理，主程序的流程，功率单元旁路的流程。 通过实验给出实验结果，从实验的角度检验理论分析的正确性和所提出 方法的可行性。 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 第2 章多电平变流器拓扑及工作原理 在高压、大功率的领域内，由于单个电力电子器件的耐压等级有限， 不能直接承受高压、大电流，因此许多学者提出了利用有效的拓扑结构 将多个电力电子器件组合在一起，实现高压输出。现在比较成熟的拓扑 结构大致可分为两类：箝位型和级联型。这两大类有个共同的特点就是 采用多电平输出，输出电平数越多，则波形越接近正弦波，所含的谐波 含量越少。不同的拓扑结构，其优缺点也不同，因此应用的范围也有所 区别。 19 81 年n a b a e 等人提出的多电平变流器的思想大大推动了变流技术 的发展【l1 1 。国内外的许多知名学者都投入到多电平变流器，特别是高压、 大功率变流器的研究当中，并取得了很多成果【1 2 14 1 。多电平变流器的 基本思想是用个电平台阶合成阶梯波输出，用阶梯波来逼近正弦波。到 目前为止，学者们提出了很多种基于多电平变流器思想的拓扑结构，总 结起来一共有以下三种基本类型：二极管箝位型多电平变流器( d i o d e c l a m p e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 、电容箝位型多电平变流器( f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 、级联型多电平变流器( c e l l sc a s c a d e m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ) 。其他大部分的拓扑结构都是在这三种基本结构的 基础上用组合、变形等方法实现的。在高压领域需要电力电子器件串联 来承受高压，但是电力电子器件在物理上不可能做到完全一致，因此如 果直接串联使用，会存在静态、动态均压的问题，影响了系统的稳定性。 如果对电路的拓扑结构进行优化，如采用二极管箝位型或电容箝位型， 均压问题在一定程度上可以得到缓解，但还是不能忽视。对于级联型变 流器，由于每个功率单元模块都有单独的电源独立供电，因此不存在静 态、动态均压的问题。 2 1 箝位型多电平变流 2 1 1 二极管箝位型多电 日本学者n a b a e 等人于 学者们对二极管箝位型和电 对于一个n 电平的二极管箝 容和开关器件承受的电压仅 硕士学位论文 开和关，最终实现r l 电平电压输出。以二极管箝位型五电平变流器为例 说明其工作原理，原理图如图2 1 所示。从图中可以看出，逆变桥的每 相都具有相同的结构，由8 个开关器件，8 个续流二极管和l2 个箝位二 极管组成。正常运行时，每相有4 个开关器件导通，两外4 个关断。以 a 相为例，s a l ， s a 2 ，s a 3 ，s a 4 的状态分别与s a 5 ，s a 6 ，s a 7 ，s a 8 互补。每个电容承受1 4 的电源电压，而由于存在箝位二极管，开关器 件也仅承受l 4 的电源电压。变流器a 相的输出与开关器件状态的对应 表格如表2 1 所示。 c l = 2 s a l - j ( 2 厂 f l s b l - 1 1 2i l j 【l ji l f j ， 【s a 2 j 1 rs b 2 - j i 【s c 2 j i 2 厂 - 2 f i 鼬3 - j ( 2 1 i s c 3 - 1 i 2l 2 i is a 3 j 【l2i2 l 2i l _l i c 2 = = f_f f 2【 2 【肼j i i 2 i 【舳叫 2i 2 2【趴j i 。j i 2 -一_ l 2l _ zi _【 z、 厂 【 2、 厂2 。 厂 勋5 - j l 2l l s c s j k 2 、 s a 5 _ j 【2 、 2 i l t、 l l zi l 一 2。 lc6-ilj c 3 = 一 一 、 广 2、 厂 勋6 j 【2 l s b 6 - j i - z l ll ff 。r z【s a 7 1 l2l2【鼬刊k2 i 2i s e y j 12 l lll r - 厂 ， c 4 ： 8 - j z i s b s j 2 i s c 8 - | 【l2 i l n c 图2 1 二极管箝位型五电平变流器 表2 1 二极管箝位型五电平变流器a 相电压玑。与开关器件状态的关系 注：表中“1 ”表示开关导通，“0 ”表示开关断开 二极管箝位型变流器由于其拓扑结构的独特性，具有以下优点。 ( 1 ) 每个开关器件承受1 ( n 1 ) 的电源电压，可以用较低耐压等级 的开关器件实现高压大功率输出。 ( 2 ) 因为交流侧不需要变压器，所以对于变流器来说，减小了体积， 降低了成本，减少了损耗，提高了效率。 7 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 ( 3 ) 增加电平数可以使输出电压波形更接近正弦波，减少谐波含量， 其d u d t 也相应减小。 但是这种结构的不足之处也不容忽视。 ( 1 ) 随着电平数的增加，电路所需的二极管数量庞大( n 电平变流 器每相需要( n 1 ) ( n 2 ) 个二极管) ，使得成本大大增加，工程应用时现场 安装也十分麻烦。所以对于二极管箝位型变流器，到目前为止各国学者 的研究范围仅限于九电平以下。 ( 2 ) 开关器件的导通负载不一致，使得开关器件的电流等级不一致。 在设计时，出于安全和稳定的考虑，势必要增加外层器件的电流等级， 造成不必要的浪费。 ( 3 ) 如果不对直流侧的电容加以控制，则可能出现各电容充放电时 间的不一致，导致逆变部分电压的不平衡。增加额外的辅助控制电路， 则增加了变流器的复杂性。 二极管箝位型变流器在工程应用中已有成熟产品，其中具有代表性 的产品有：g e 公司的i n n o v a t i o n 系列、a b b 公司的a c sl0 0 0 系列 等，其开关器件选择的都是i g c t 。 2 1 2 电容箝位型多电平变流器 电容箝位型也称飞跨电容型，其拓扑结构与二极管箝位型类似，直 流侧储能元件也是电容。不同的是起箝位作用的不是二极管，而是电容。 电容因为具有电压输出能力，要电压输出某一个电平，开关器件状态的 选择有多种余地。这样尽管增加了控制的复杂性，但是使得开关器件状 态的选择更加灵活。例如对于电容箝位型五电平变流器，输出e 或0 ( e 为直流侧电源电压) 时，开关组合各有1 种；输出( 1 4 ) e 或( 3 4 ) e 时， 开关组合各有4 种；输出( 1 2 ) e 时，开关组合有6 种。变流器输出与开 关器件状态的关系如表2 2 所示。正常运行时，每相有4 个开关器件导 通，两外4 个关断。以a 相为例，s a l ，s a 2 ，s a 3 ，s a 4 的状态分别 与s a 8 ， s a 7 ，s a 6 ，s a 5 互补。对于一个电容箝位型n 电平变流器， 假设每个电容的电压等级与开关器件的相同，那么其直流侧需要( n 1 ) 个 储能电容，每个电容承受1 ( 1 1 1 ) 的电源电压。在逆变部分每相有 ( n 1 ) ( n 2 ) 2 个箝位电容，2 ( n 1 ) 个功率器件。典型的电容箝位型五电平 变流器原理图如图2 2 所示。逆变部分的三个桥臂也具有相同的结构， 与二极管箝位型相比，减少了许多二极管，但同时增加了不少电容。在 高压领域里，电容的体积更大，成本高，与二极管箝位型相比，各有利 弊。 8 硕士学位论文 广 f 厂 跗- j ( 2 【 s b lj l 2【 l _ j 【2【 ll ， 厂 c l = s a 2 _ j l 2 、 s b 2 j 2、 2 _ j ( 2 lll c 白3 fc 6 3 厂 3j 6 l s a 3 j 【l jl 一 s b 3 j j c c 3 = l c 口2 l c 6 2 l c 0 2 c 2 ： 2 l 酬| 5 2 i 鼬4 j l 2 i 刚l i c 亡3 = 丰c c l l _ i _ l i 5 _ j 年 - 、 i i i 删( l l c 0 2 ll ( k 3 牟c 口l l( 冶3 ： i i 勋5 j 【 c 3 = ll c 6 2 ： 厂= c a 2 f c 6 3 2 鼬一 l c c 3 =s c 6j 【2 l c 矗3 s a 6 - i k zl ll ，。 f 厂 c 4 = s a 7 - j l2i 鼬7 j k 2i s c 7 - 4 2i lll _ 。 f f s a $ - j l j i s b 8 1 l 2i s c 8j l 2i lll 图2 2 电容箝位型五电平变流器 表2 2 电容箝位型五电平变流器a 相电压虬。与开关器件状态的关系 e 2 e 4 0 o o l _ _ o 0 o l o _ o 0l l0 0l 01 0l0 注：表中“l ”表示开关导通，“o ”表示开关断开 电容箝位型变流器的优点有： 9 1 0 1 l 0 0 一l 0 0 0 一o 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 ( 1 ) 开关状态的选择比较灵活， 护能力强。 ( 2 ) 由于存在冗余的开关状态， 来控制有功和无功。 电平合成自由度高，对功率器件保 可以通过控制电容的充放电过程， ( 3 ) 大量电容的存在使变流器对电压的波动具备一定的鲁棒性。 另一方面，电容箝位型变流器在实际工程应用中存在许多局限性。 ( 1 ) 电容箝位型变流器需要大量的电容的，体积大，安装时难度大， 造价很高。 ( 2 ) 为了使电容的充放电保持平衡，需要采用不同的控制组合，增 加了控制的难度。 ( 3 ) 电容的寿命相对比较短，使得整个变流器的生命周期也比较短。 ( 4 ) 电容箝位型变流器也存在导通负载不一致的问题。 2 2 级联型多电平变流器 为了增加输出电压的电平数，使得输出波形更接近正弦波，谐波含 量更小，很多学者在电路的拓扑结构上提出了创造性的方案。在19 88 年的i e e e 电力电子专家会议( p e s c ) 年会上，m m a r c h e s o n i 等人提出 了级联型多电平逆变拓扑方案【”】。级联型变频器输入端有移相变压器， 将网侧的高压转换成为多组二次侧的低压，分别单独为功率单元供电。 功率单元是级联型变流器的基本单元，每个功率单元具有相同的结构， 每相多个功率单元串联，实现高压输出。对于每个功率单元来说，承受 的电压是低压( 6 k v 和10 k v 变流器的功率单元输入输出电压一般在 6 0 0 v 8 0 0 v 左右) ，因此可以采用低压的开关器件。典型的三级联型变 流器拓扑结构如图2 3 所示。 级联型变流器因其显著的优点备受关注【20 1 。 ( 1 ) 由于输入侧采用多重化、多脉波整流，输出侧采用s p w m 控 制，输入输出的波形接近正弦波，谐波含量小，无需外加滤波器，同时 提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 功率因数高( 可达0 9 5 以上) ，无需功率因数补偿装置。 ( 3 ) 每个功率单元由移相变压器单独供电，不存在电压平衡问题。 ( 4 ) 每个功率单元结构相同，设计、生产、装配时可节约工作量。 ( 5 ) 各个开关器件的开关频率相对较低，级联后变流器的等效开关 频率高，具有良好的动态性能，开关损耗小。 这种拓扑结构的缺点有【21 1 。 ( 1 ) 整流部分采用二极管，不能实现四象限运行，不能实现能量回 l o 硕士学位论文 馈。常用来拖动风机、水泵等对调速要求不高的负载 ( 2 ) 移相变压器体积大，成本高，生产时很难保证精确地移相角度。 j (e j j (t j ( - j e j - ill ee 一 ： 一 = j (t j i j t j ( i j (r j l j (e j 一 j r j ( j (e j l i ee = = _ j t j j (r j - j (e j 【il j e j j r j - j (e j lli 丘 _ 一 一 = 一 j tj l j e j l j (e j i 图2 3 三级联h 桥功率单元级联型变流器 近年来，国内外的很多学者对变流器的拓扑结构展开深入的研究， 取得了许多成果【2 2 24 1 。然而实际的工程应用受到诸多因素的影响，如： 成本、电力电子器件耐压等级、控制器的处理性能、生产工艺水平等， 和理论有一定的差距。与此同时，级联型高压变频器因其高输入功率因 素、高效率、高可靠性、低谐波含量、低共模电压、低d u d t 等诸多优 点，逐渐成为高压、大功率变流市场上的宠儿。本文的研究对象是6 k v 级联型高压变频器，其开关器件为i g b t ，用电容作为直流部分储能元 件，采用的控制算法是载波移相s p w m 方式。下面就这种类型变频器的 工作原理进行介绍。一套完整的通用级联型高压变频器一般由开关柜、 变压器柜、控制柜和功率柜组成，结构图如图2 4 所示。 级联并不是简单的串联，而是功率单元在结构上串联。以6 k v 、6 级联高压变频器为例，其电压合成原理如图2 5 所示。每个功率单元输 出58 0 v ，每相各有6 个功率单元串联，串联后输出3 4 5 0 v 的相电压， 三相输出6 0 0 0 v 的高压。每个功率单元承受全部的输出电流，但是仅输 出1 6 的相电压和l 18 的输出功率。级联数不一样，每个功率单元输出 的电压不一样。通常决定级联数量的因素有：开关器件和其它器件的耐 压等级，用户的要求、成本等。级联的数目越多，每个功率单元输出电 压越少，开关器件承受的电压越小，成本当然越高。传统的电力电子器 件串、并联实现高压、大功率输出，由于不能保证器件物理特性的一致 中性点漂移技术在级联型高压变频器中的应用研究 或足够相近，所以在开关器件导通、关断期间各个器件承受的电压会不 高 压 母 线 移 相 功率单元 变 压 模块级联 器 旁路开关柜 变压器柜功率柜控制柜 n 图2 4h 桥功率单元级联型变频器结构图 相电压3 4 5 0 v 5 8 0 vh5 8 0 v1 - 15 8 0 vi - 15 8 0 v1 45 8 0 v1 45 8 0 v 单- 5 8 0 y h5 8 0 v h5 8 0 矿h5 8 0 v h5 8 0 矿