（电力电子与电力传动专业论文）级联型中高压变频器控制策略的研究与实现.pdf

r e s e a r c ha n dr e a li z a t i o no nc o n t r o ls t r a t e g i e so f c a s c a d e d h i 曲- v o l t a g ec o n v e r t e r a b s t r a c t n o w , c a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e ri so n eo ft h eh o t s p o t si nt h ep o w e r e l e c t r o n i cf i e l d i th a sm a n ym e r i t sa sf o l l o w s ：i n p u ts i d eh a sl e s sp o l l u t i o nt ot h e e l e c t r i c a ln e t ；o u t p u tv o l t a g ea p p r o a c h e st os i n ew a v es ot h a ti td o e s n tn e e do u t p u t f i l t e r ；s t r u c t u r ei ss i m p l ea n de a s yt ob em o d u l a r i z e d ；c o n t r o lm e t h o di se a s yt ob e r e a l i z e da n ds oo n t h e s em e r i t sm a k ec a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e rt ob e 、i d e i y u s e di nt h ee l e c t r i cd r i v ef i e l d ，e s p e c i a l l yf o rb l o w e rf a na n dw a t e rp u m pw h i c h r e q u i r el o w e rt i m i n gc a p a b i l i t y f o rb l o w e rf a na n dw a t e rp u m pl o a d ，c a s c a d e d t o p o l o g yi sa st h eb a s i cs t r u c t u r eo fh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e ri nt h i sp a p e r c o n c r e t e l y s p e a k i n g 。t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： 1c a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e r sb a s i ct o p o l o g yi sa n a l y z e d t h em u l t i p l e x i n gr e c t i f yc i r c u i ta n di n v e r t c i r c u i ta r ee x p l a i n e di nd e t a i l , a n dt h et r a d i t i o n a lc a s c a d e dc o n v e r t e rc o m m o n l yu s e dn o w a d a y s ，a sw e l la sm i x e dc a s c a d e d 2 ”a n d3 “i n v e r ts t r u c t u r ea r em a i n l yi n t r o d u c e d 2n ec o n t r o lm e t h o d so fh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e ra r er e s e a r c h e d b a s e do n c a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m ，a n o t h e rm e t h o dw h i c hi se a s i l yt ob er e a l i z e d s y n c h r o n o u sc a r d e rp h a s es h i f t i n gs p w m i s p r o p o s e d l i n ev o l t a g ec o n t r o l l e d s p w ma n dq u a s i o p t i m i z e dp w ma r ei n t r o d u c e di n t oc a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m a n dm u l t i c a r r i e rs p w m s t r a t e g yi sa l s or e s e a r c h e d 3f o rt h em a t l a bs o f tw a r e ，t h em o d e l so ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa b o v ea r e e s t a b l i s h e da n dt h e s er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d 4t h ec i r c u i ti nt h ec a s eo ff a u l to fp o w e ru n i ti sa n a l y z e d s t u d ys h o w st h a t w h e nf a u l ta p p e a r s ，t h eo u t p u to ft h ef a u l to fp o w e ru n i ti sn o to n l yc l o s e do f f , b u t a l s or e m o v e df r o mt h es y s t e m f u r t h e r m o r e ，c o r r e s p o n dm e t h o d st od e a lw i t hs o m e m a i nf a u l t sa r ep r o p o s e d ，s u c ha s ：o v e rc u r r e n t ，o v e rv o l t a g ea n dl a c kv o l t a g ei nt h e d cs i d e ，o v e r h e a ta n do v e r1 0 a d 5a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h e s y s t e m ，t h es c h e m e f o rc a s c a d e d h i g h - v o l t a g ec o n v e r t e ri sd e s i g n e d k e yw o r d s ：c a s c a d e dh i g h v o l t a g ec o n v e r t e r ，c a r t i e rp h a s es h i f t i n gs p w m ， e m u l a t i o n ，t h ef a u l to f u n i t i 插图清单 图2 1 ( a ) 电压叠加( b ) 单元串联主电路( c ) 功率单元结构7 图2 21 2 脉波整流电路图8 图3 - 1 载波相移s p w m 的原理示意图1 4 图3 2 单电压极性切换逆变器的输出波形( n = 1 0 ) 1 5 图3 3 同步相移s p w m 原理示意图1 6 图3 - 4 多电平消谐波技术( s r n , w m ) 原理示意图一1 6 图3 5 线电压控制方式的调制波1 8 图3 - 6 线电压控制p w m 方式a 相p w m 输出1 8 图3 7 线电压控制p w m 方式b 相p w m 输出1 9 图3 8 线电压控制p w m 方式c 相p w m 输出1 9 图3 - 9 各个单元调制波的计算框图2 1 图4 一l 单相h 桥逆变器模型2 5 图4 2 单相h 桥逆变器的倍频调制模型2 5 图4 3 单相h 桥逆变器输出电压波形及傅立叶分析一2 6 图4 4 三相级联型逆变器模型2 7 图4 5 载波相移s p w m 线电压波形及谐波分析2 8 图4 6 同步相移s p w m 线电压波形及谐波分析2 8 图4 7 载波相移s p w m 相电压波形及谐波分析2 9 图4 8 同步相移s p w m 相电压波形及谐波分析2 9 图4 - 9 准优化s p w m 技术的线电压波形及谐波分析3 0 图4 1 0 线电压控制s p w m 技术的线电压波形及谐波分析3 1 图4 1 1 准优化s p w m 技术的相电压波形及谐波分析3 1 图4 1 2 线电压控制的s p w m 技术的相电压波形及谐波分析3 1 图4 1 3 准优化s p w m 技术在m = i 1 2 2 时的线电压波形及谐波分析3 1 图4 1 4 线电压控制s p w m 技术在m = i 1 5 的线电压波形及谐波分析一3 2 图4 ，1 52 “型混合级联逆变器高压单元的调制波和输出波形州= 3 ) 3 4 图4 1 62 ”型混合级联逆变器中压单元的调制波和输出波形州= 3 ) 3 4 图4 1 72 ”型混合级联逆变器低压单元的调制波和输出波形( n = 3 ) 3 4 图4 1 82 ”型混合级联逆变器相电压输出波形及谐波分析0 归3 ) 3 4 图4 1 92 “型混合级联逆变器线电压输出波形及谐波分析斟= 3 k 3 5 图4 2 03 ”型混合级联逆变器高压单元的调制波和输出波n f n = 3 ) 3 5 图4 2 t3 “型混合级联逆变器中压单元的调制波和输出波形= 3 k 3 5 图4 2 23 “型混合级联逆变器低压单元的调制波和输出波形= 3 1 3 5 图4 2 33 “型混合级联逆变器相电压波形及谐波分析烈= 3 k 3 6 图4 2 43 “型混合级联逆变器线电压波形及谐波分析( n = 3 ) 3 6 v 图5 1 封锁功率单元输出时三相电路等效电路图( a ) 3 9 图5 2 封锁功率单元输出时三相电路等效电路图( b ) 3 9 图5 3 带旁路电路的功率单元故障等效电路图4 0 图5 - 4 封锁功率单元输出时的仿真模型4 1 图5 5 直流侧电容电压波形4 1 图6 1 级联型中压变频器的主电路结构4 4 图6 2h f b r 1 4 1 4 的内部结构图和封装示意图4 5 图6 3h f b r 一2 4 1 6 的内部结构图和封装示意图4 6 图6 - 4 光纤传输系统的电路图4 6 图6 - 5h f b r 一1 4 1 4 的驱动电路图4 7 图6 6h f b r 1 4 1 4 发送器的i f f 特性曲线4 7 图6 7 差分电路4 8 图6 罐功率单元模块的控制方案4 8 v n i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金艘王些盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的栩料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 场向鱼签字h 期：。年歹月3r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁三些盍堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权佥鲤王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数掘库进 ，检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：柄1 召 真 导师签名 签字同期：“年彳月；日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：必年g 月；日 电话 邮编 致谢 在三年的研究生生活即将结束之际，谨向关心和帮助我的老师和同学们表 示衷心的感谢。 首先感谢我的导师丁明教授! 丁明教授渊博的学识、严谨的治学态度是我 在研究生期间得到的最宝贵的精神财富，他对科研事业忘我的拼搏精神始终激 励着我，使我在以后的科研工作中，能够勇敢的面对所有困难。 感谢苏建徽教授三年来对我的培养和帮助! 从课题的选择到论文的最终定 稿，都离不开苏老师的悉心指导，我的每一点成长和进步都与苏老师的认真指 导密不可分。他务实的科研作风、不知疲倦的工作态度始终是我学习的榜样。 感谢茆美琴老师、张国荣老师、杜艳老师和汪海宁老师以及在我撰写论文 和实验过程中给予我热情帮助的能源所的各位老师! 我还要感谢我们高压变频器组的搭档：吴敏、刘宁、潘江洪三位同学，实 验的进行和论文的撰写离不开他们的帮助。 本论文能够顺利完成，梁海涛、陈林、贺文涛和孙艳霞等能源所的同学都 给予了热情的支持和帮助，在此对他们表示由衷的感谢。 最后，我要感谢我的父母，感谢他们多年来的养育之恩，还要感谢始终爱 护我的姐姐和弟弟，没有他们的支持，也没有我的今天。 i v 杨向真 2 0 0 6 年5 月 1 1 研制中高压变频器的意义 第一章绪论 能源短缺和环境污染是目前人类面临的共同难题，节能技术的开发和应用 成为各国政府重点扶持研究的课题之一。我国的能源相对稀缺，又处在经济高 速发展的阶段，能源供需矛盾突出。我国能源资源绝对蕴藏量丰富。煤炭地质 储量约占世界煤炭地质总储量的1 2 ，居世界第3 位。水力资源占世界总量的 3 0 ，水力理论蕴藏量6 7 6 亿千瓦，居世界第l 位，。石油和天然气资源丰富， 经普查勘探表明，石油的地质储量估计要比探明储量大的多。1 9 9 0 年新探明天 然气储量达1 9 9 0 亿立方米。从煤炭、石油、天然气、水力等常规能源的资源总 量来看，中国可列入世界能源资源丰富国家之一。然而，由于我国人口众多， 就可采储量而言，人均能源资源占有量仅相当于世界平均水平的二分之一，只 有美国人均占有量的1 1 0 。稀有之物，我们应该更加珍惜，但是，由于装备和 工艺以及管理水平相对落后，我国单位产出的能耗和资源消耗明显高于国际先 进水平。按照2 0 0 1 年我国单位g d p 消耗能源计算，能耗强度约为日本的6 5 8 倍，德国的4 4 9 倍，美国的3 6 5 倍，巴西的2 3 5 倍，与世界平均水平相比，中 国单位g d p 能耗是世界的3 4 倍，是世界上产值能耗最高的国家之一。火力发 电煤耗比国际先进水平高2 2 5 ，大中型钢铁企业吨钢综合能耗高2 1 ，水泥 综合能耗高4 5 。我国国内生产总值约占世界总量的4 1 ，而原油、原煤、铁 矿石、钢材、氧化铝、水泥的消费量却分别为世界消费总量的7 4 、3 1 、3 0 、 2 7 、2 5 和4 0 。这些数字都反映了我国单位产出的消耗太高，而且这种高消 耗又带来了二氧化硫、二氧化碳以及其他废气、废水和废弃物的大量排放，对 环境造成严重污染。这种“高投入、高消耗、低产出”的经济运行方式与人类 可持续发展的战略方针背道而驰，节能早已经成为我国经济和生活健康持续发 展的必由之路。 从另外一个角度看，也说明我国的节能潜力巨大。以在国民经济各部门中 占重要地位的风机、水泵、压缩机等机械设备为例来说明。风机、水泵类电动 机在我国应用的主要特点有： ( 1 ) 风机、水泵使用数量大，总耗电量大。近年国家有关部门统计的全国风 机、水泵和压缩机占全国用电量的比例如表1 1 所示，各类工农业部门中风机、 水泵的耗电量如表1 2 。从表1 1 中可以看出，风机、水泵的总耗电量占全国总 用电量的3 1 ，在各工农业部门中其耗电比重也相当大。 表1 - 1 全国风机、水泵、压缩机拥有量与耗电量 装备名称全国装备台数估计装备功率估计耗电茸占全国用电量 ? 7 台0 7k w化k w h ( ) 风机3 0 0 06 0 0 01 1 0 02 1 水泵 7 0 0 3 0 0 0 5 5 0 1 0 压缩机 5 0 02 0 0 04 0 0 7 ，2 8 表卜2 工农业部门风机、水泵的耗电量 工农业部r j风机用电量水泵用电量整个部门用电鼍风机、水泵用电 亿k w h亿k w h亿k w h 最所占的比例 电力工业3 6 58 01 6 0 8 77 2 5 化肥工业 2 9 11 5 5 2 4 27 6 煤炭工业 1 7 03 9 7 8 1 6 9 0 33 3 6 炼油工业4 51 53 3 5 35 8 油田4 5 8 7 2 4 5 6 3 农业排灌1 5 5 _ 3 31 8 38 9 ( 2 ) 由于大量设备陈1 日，运行耗电量过大，目前我国使用的风机、水泵的效 率比国外同类产品的效率低5 1 0 。设计中过多地考虑建设前、后期工艺要 求的差异，选型裕量过大，使设备长期在低负载、低运行效率下工作。 ( 3 ) 调速方式落后。目前风机、水泵和压缩机的总容量达1 _ 3 亿k w ，目前 其流量调节9 0 以上的电动机仍沿用落后的挡板和阀门调节方式，功率损耗非 常的大。如果换成交流调速系统，每台风机、水泵平均都可以节约2 0 3 0 电能，全国每年节电潜力可达3 0 0 4 0 0 亿k w h ，效果是很可观的，而且对用 户来讲，大都在1 3 年可回收节电投资。 实际上，风机、水泵只是我国电动机的一部分，我国电动机总装机容量达4 亿k w ，年耗电量占全国总耗电量的6 0 ，而容量在3 1 5 k w 以上的电动机的额 定电压一般为中高压( 1 1 0 k v ) ，这部分电动机占总装机容量的4 0 5 0 ， 由于这些电机中的大部分缺乏经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的能 源。因此，我国存在着巨大的节能潜力和广阔的中高压变频器市场。另外，变 频器还应用在工艺调速、牵引调速、特种调速、变频电源、绿色发电等场合， 大大提高了系统效率和产品工艺水平【2 】a 在市场方面，中高压变频器与低压变频器不同，国内的低压变频器起步较 晚，其可靠性和功能均无法和国外低压变频器相抗衡，使得国外的低压变频器 占据了中国的主要市场，虽然我国在中高压变频器领域与国外先进技术相比仍 有差距，但国外的中高压变频器目前也处于研制开发阶段，大多还没有进入大 规模的产业化阶段，而且国外的电网等级与我国也不尽相同，这为国内中高变 频器的发展提供了良好的时机。然而我们面临机遇的同时也面临着挑战，世界 知名的大公司如西门子、a b b 、东芝等都已投入了大量的人力、物力和财力， 在中高压变频器领域展开了激烈的竞争，中国如果不加快开发推广的步伐，将 会出现国外的中高压变频器垄断中国市场，将几百亿的中国中高压变频器市场 让给国外，这是我们都不愿看到的景象1 3 l 【4 】。幸运的是，这一时机早已得到我国 政府的广泛关注和支持，“十五”期间，国家专门制定了能源节约与资源综合 利用“十五”规划，规划中指出要重点发展高效电动机、高压大功率变频调速技 术、高效电光源及镇流器技术及家用电器输变电网系统、工业电炉等先进节电 技术，为我国中高压大功率变频器的发展提供强有力的后盾。 1 2 中高压变频器的发展及特点 1 2 1 交流调速技术的发展历史 直流电力拖动和交流电力拖动在1 9 世纪先后诞生。2 0 世纪上半叶，鉴于直 流拖动具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，高性能调速拖动 都采用直流电动机，而约占电力拖动总容量8 0 以上的不变速拖动系统则采用 交流电动机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系 统的多种方案虽然早己问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流 调速系统相匹敌。2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电力电子技术的发展和现代控制理 论的应用，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的出现，使得交流电力拖 动系统逐步具备了调速范围大、稳速范围广、稳速精度高、动态响应快以及可 实现四象限可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动 媲美，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。而且，以前被掩盖的 直流电动机的缺点也日益暴露出来，例如，具有电刷和换向器，因而必须经常 检查维修 换向时有电磁干扰，产生噪声；换向火花使它的应用环境受到限制； 换向能力限制了直流电动机的容量和速度( 极限容量与转速之积约为 1 0 6 k w r m i n ) 等等。而交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作 可靠、维护方便、惯量小、效率高等优点，如果能够用交流拖动系统代替直流 拖动系统，显然可靠性较高，维修更方便，能够带来不少的效益，于是，交流 调速已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向【5 1 1 6 1 1 7 l 【8 】。 无论大功率变频器对异步电动机的控制，还是小功率变频器对异步电动机 的控制，它们的控制原理是一样的，都是根据电动机的特性参数及运行要求提 供电压、电流、频率，对电动机进行控制，满足负载的要求。因此，变频器的 控制方式是很重要的。目前变频器常用的控制方式有：开环v ，f 控制、转差频 率控制、矢量控制和直接转矩控制等。下面分别进行简单的介绍。 开环v f 控制是异步电动机最基本的变频调速控制方式。它通过同时改变 电动机的输入电压v 和电动机的输入频率f ，使v f 保持恒定值，从而维持电动 机每极磁通量不变，严格的讲，应该使定子的感应电动势与频率之比保持恒定 才能够达到每极磁通量不变的效果，由于感应电动势难以直接测量，一般用定 子相电压来代替感应电动势，这就需要补偿低频电压的控制方案。如果对调速 范围和起制动性能要求高一些，可以采用转速闭环转差频率控制的方案，但这 两种方案都是在电动机稳态性能的基础上得到的，虽然能够在一定范围内实现 平滑调速，但不能够完全适应高动态性能的系统，也不能够完全达到直流双闭 环系统的水平。 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 虽然通过坐标变换进行降阶并且化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质， 要使异步电动机系统具有优良的动态性能，必须面向动态模型。经过多年的潜 心研究和实践，目前应用最多的方案有按转子磁链定向的矢量控制系统和按定 予磁链控制的直接转矩控制系统。2 0 世纪7 0 年代初，德国西门子公司f b l a s e h k e 等提出“异步电动机磁场定向的控制原理”，奠定了矢量控制的基础。矢量控制 技术以3 ，2 坐标变换后的电动机动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现 了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，使得交流电动机在理论上能像直流电 动机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像直流电机一样良好 的动态性能。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使 得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的 不足。尽管如此，由于矢量控制技术的自身优势，仍然被积极地融入了变频器 中。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授首先提出了异步电动机直接转 矩控制方法，直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制不需要对电动机的 模型进行解藕，转矩直接作为被控量来控制，控制定子磁链而不是转子磁链， 不受转子磁链的影响，可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制 精度。可以说直接转矩控制是一种很有发展前途的新型控制方法。 早期的交一直一交变频器所输出的交流波形都是矩形波，这是因为当时 逆变器只能采用半控型晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变 器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而产生较大的低次谐波，使电动机 输出转矩存在脉动分量，影响其稳态性能，这在低速时更为明显。随着全控型 电力电子开关器件的产生和发展，2 0 世纪8 0 年代，科技工作者将应用在通信领 域中的p w m ( 脉宽调制) 技术引用到电力电子领域，由于其良好的性能，迅速 成为研究的热点，随着p w m 技术的应用实践，也发现了一些缺点，因此，研 究新的p w m 技术一直是科技工作人员的热门课题，目前，已经出现了多种 p w m 调制方法，例如低次谐波消去法、矢量控制法、p w m 跟踪控制法、随 机p w m 技术等，这些方法各有于秋，被广泛应用在各种场合。当今国内外 生产的中高压变频器都已采用了p w m 技术，中高压变频器也不例外 9 】【1 0 1 。 1 2 2 中高压变频器的特点及应用领域 目前，低压变频器已经比较成熟，由于其强大的功能而被广泛应用于多种 电机拖动领域。受管子耐压水平和高压开关管开关频率的限制，传统的两电平 逆变电路不能够直接应用在中高压变频器中，通过简单的将开关管串、并联来 承受高压的方法是人们最直接的想法，但是开关管的串并联均压、均流问题比 较难以实现，因此，研究人员将目光转向开发其它拓扑结构，经过多年努力， 出现了多种中高压变频器的拓扑结构，如二极管嵌位式、电容嵌位式、级联型、 电压自平衡式等等，拓扑结构种类多且比较复杂是中高压变频器的第一个特点 “l 】口2 】【l3 】。拓扑结构的多样化势必引起控制方法的多样化，于是在p w m 技术的 基础上产生了多电平消谐法、开关频率优化的p w m 、多电平空间矢量法等等， 这些方法在中高压变频器中都有着广泛的应用，可见，多种调制方法是中高压 变频器的第二个特点f 1 4 】【1 5 】 1 6 1 1 1 7 】 1 8 。拓扑结构和控制方法的多样化为电力电子理 论和实践注入了新的活力。另外，中高压变频器要想适用于各种拖动场合，即 使是拖动风机、水泵这种调速要求不高的大电机，也需要功能齐全、操作安全 方便的变频器，因此，完善的功能自然是中高压变频器的重要特点。这些功能 包括开放式的人机界面、外部端子控制功能、多种启停变频器方式选择、频率 设定、点动频率设定、禁止频率设定、加减速时间设定、转矩提升、v f 控制、 矢量控制和瞬时掉电保护、速度搜索功能等。 中高压变频器除了拖动风机、水泵来代替风门和阀门外，还广泛的应用在 其它领域。在冶金行业，大型轧钢机需要很快的动态响应和相当高的过载能力， 以前一直是用直流电动机，由于直流电动机的换向器及电刷在大容量方面的问 题较多，维修量较大，目前已经逐步被交流电动机调速代替，取得了良好的效 果；在发电厂中使用着大量的中高压大电机，因此，中高压变频器在发电厂中 的广泛应用是理所当然的；另外，在电动车辆、船舶、石化、石油等行业也有 着广泛的应用。总之，中高压变频器的应用将大大提高我国工业的生产效率和 节能效率，达到经济和节能双赢的效果。 1 3 本文所做工作 在熟悉中高压变换器的拓扑结构、调制方法以及通用变频器功能的基础上， 重点研究了级联型中高压变频器，利用m a t l a b 仿真软件，对常用的调制方法 进行建模，证明了控制方法的可行性，在系统设计前，重点对故障情况做了详 细的分析，最后确定了整个系统的基本控制框架。本文所做的具体工作如下： ( 1 ) 研究了级联型中高压变频器的基本拓扑结构。详细分析了多重化整流电 路和多种类型的逆变电路，重点介绍了目前常用的传统级联型逆变电路以及混 合级联型中的2 “型和3 “型逆变结构。 ( 2 ) 研究了级联型中高压变换器的控制方法。在载波相移s p w m 技术基础 上，提出了一种实现方法简单的调制方法同步相移s p w m 技术，并将低压 中常用的线电压控制方法和准规则采样法应用到载波相移s p w m 技术中，用以 提高直流电压利用率。另外也介绍了混合级联型变换器的调制方法。 ( 3 ) 利用m a t l a b 仿真软件对上述调制方法分别进行建模，并对仿真结果 进行了比较分析，可以看出，同步相移s p w m 技术与相移s p w m 技术相比， 效果相差不大；低压变频器中常用的提高直流电压利用率的方法可以很方便的 应用到级联型中高压变频器中；基于混合频率调制的s p w m 技术充分利用高压 单元模块输出电压高的优点和低压单元模块开关频率高的优点，成功的实现了 高压多电平输出。 ( 4 ) 详细分析了功率单元模块故障情况下的电路拓扑，研究表明不能仅仅封 锁故障功率单元的输出，而是必须切除该故障单元，并且为了保证三相输出电 压对称，如果不采取特殊的控制策略，就必须同时切除其它两相对应的单元模 块。另外，针对过流、直流侧过压和欠压、过热以及过载几种主要故障，提出 了相应的处理方案。 ( 5 ) 根据以上的分析，确定了级联型中高压变频器的整体实现方案。 第二章级联型中高压变频器主电路结构 2 1 级联型中高压变频器的基本结构 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6 k v 电压的原理如图2 - l ( a ) 所示，主电路结构如 图2 - 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2 - 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，尽量减少单相串联单元的个数，提高系统可靠性。 ( a ) s z王2 s 土j 酗 王2 王2s lj 咯叫 ( c )( b ) 图2 - 1 ( a ) 电压叠加( b ) 单元串联主电路( c ) 功率单元结构 7 2 2 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 i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 ，我国也有相应的谐波控制标准，应用较为广泛的是国标 g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波。i e e e 5 1 9 1 9 9 2 标准规定在电网短路 电流小于2 0 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d i d t 非常小，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： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 利用多重化整流电路减小输入电流的谐波。1 2 脉波整流电路如图2 2 所示。采用1 2 脉波整流电路后，其网侧电流仅含1 2 k 1 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、1 2 脉波整流电路结构外，还可采用更高脉波数的结构， 如1 8 脉波、2 4 脉波，输入谐波也会随着降低，但导致系统结构更加复杂，成本 增加。 图2 - 21 2 脉波整流电路图 ( 3 ) 整流侧采用p w m 整流电路，通过p w m 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u 9 。 如果级联型中高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 几 岂 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m 个功率单元串联的结构，变压器的3 m 个绕组采 用延边三角形联结，依次相差石3 m 电角度，分别给m 个单元供电，形成6 m 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6 m k 1 次谐波，大大减少了输入电流的谐波含量，假定5 个功 率单元串联，形成3 0 脉波的整流电路，网侧电流仅含3 0 k 1 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c o s 口，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口一般小于1 5 。，对应的位移因数大于0 9 6 6 ，所 以采用多重化( 1 8 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o 9 5 以上。 采用二极管整流电路的另一个优点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 3 逆变电路结构 2 _ 3 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f 以 后称单相h 桥) 。单相级联型主电路如图2 - 3 所示，当。= ：一一吃。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 9 的主要特点还有【2 0 】【2 l 】： ( 1 ) 直流侧采用独立直流电源，不存在电压均衡问题。 ( 2 1 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。 ( 3 ) 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2 n + 1 ，线电压电平个数是4 n + 1 。 ( 4 ) 控制方法比较简单，每个单相h 桥都是p w m 控制，再进行波形重组。 f 5 ) 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 以用剩余模块降额运行或用冗余模块代替继续满额运行。 ( 6 ) 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。 图2 - 3 单相级联型多电平逆变电路 2 3 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，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【2 2 1 1 2 3 1 。本文只对其中应用 较广的几种结构进行分析。 首先介绍一下最大扩展原则。如果已知串联的单元个数和每个单元输出的 电平数，就可以根据最大扩展原则来确定逆变器获得最多电平数输出时，各个 单元直流侧电容电压的比值。最大扩展原则如下所述：对于由n 个级联单元串 联构成的单相多电平变换器，若每个单元输出的最大电平数为n j ( i = l ，2 ， n ) ，那么当各个单元的直流电压按式( 2 1 ) 设置时，可得到最大输出电平数n ， 如式f 2 2 ) t 2 4 】【2 5 2 6 】： 笋= 蔫去 ，聊 (2_1)q 1 1，( ”h 一1 ) n = 上l 雄r( 2 2 ) i = l 以2 个单元均为单相h 桥( 2 h 桥) 为例，2 个单元输出的最大电平数都是3 ， 利用最大扩展原则，当：，= 1 3 时。可得到最大电平数的输出珂= 3 x3 = 9 。 因此，为了得到更大电平数的输出，当各单元的独立直流电源的电压比是 2 0 ：2 ：22 ：2 “和3 0 ：3 ：32 ：3 “时，分别称为2 ”型和3 ”型混合级联结构 1 ，可看作是应用最大扩展原则的一个特例，但电压比为1 ：4 或更高时，输 出电平中会出现超过单位电平的跳变，正弦波失真率变大，d v d t 也变大，因此 用于逼近正弦波的实用价值不大。在2 - h 2 h 结构的直流侧电容的电压比不同 的情况下，输出的电平数也不同，如下表2 - 1 所示。 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2 8 1 ，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 - 1 4 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。 表2 - 12 - h 2 h 混合级联型逆变器在不同直流电压比的情况f 输出相电压的电平数和 器件数的比较( 其中n 为单相串联功率单元的个数) 类型 1 ”2 ” 3 ” 电压比1 0 ：1 1 ：1 ”一12 0 ：2 1 ：2 “一13 0 ：3 1 ：3 ”一1 电平数 2 n + l 2 ”“一1 3 “ 器件数 4 0 n + 1 ) 4 ( n + 1 ) 4 ( n 卜】) 在混合级联多电平变换器中，高电压单元可用g t o 等高耐压、低开关频率 的功率器件组成，低电压单元可用i g b t 等低耐压、高开关频率的功率器件组 成，g t o 单元以输出电压的基波频率为切换频率，主要输出基波能量，i g b t 单元在较高的开关频率下进行p w m 调制，用来改善输出波形，提高整机效率。 第三章级联型中高压变频器的控制方法 3 1 级联型中高压变频器的控制方法 由于级联型中高压变频器都是由低压单元串联组成，因此，低压的一些控 制方法可以应用在级联型中高压变频器的场合中。基于载波的s p w m 控制方法 是最常用的多电平p w m 控制方法之一，它是两电平s p w m 技术在多电平中的 直接拓展。由于中高压逆变器电路拓扑的复杂性和多样性，与两电平逆变器相 比，其控制方法也更加多样化1 2 9 】【3 0 1 1 3 1 】【3 2 】【3 3 】。本文主要研究基于载波的s p w m 技术在级联型中高压变频器中的应用，其中载波相移s p w m 技术、同步相移 s p w m 技术、消谐波技术和优化的p w m 技术是针对传统级联型逆变器的控制 方法，混合载波频率调制的s p w m 技术是应用在混合级联型逆变器中。 ( 一) 载波相移s p w m 技术( c a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m c p s s p w m ) 级联型逆变器是以电压型单相h 桥为基本单元，其主电路拓扑结构如图2 - 3 所示，其中，。= ：一一。载波相移s p w m 调制方法的基本原理是， 对于由n 个单元h 桥组成的单相逆变器，各个单元h 桥都采用低开关频率的 s p w m 的调制方法，每个单元h 一桥都采用同一个调制波，用n 组三角载波分别 进行调制，各三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度， 从而使每个单元h 一桥输出的s p w m 脉冲错开一定的角度，等效开关频率大大 增加，经过叠加后逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，选择合适的 相移角度就能使输出电压的谐波含量大幅度减少。利用相移s p w m 技术进行调 制的三相逆变器，三相正弦波依次相差1 2 0 。，每相各单元载波的变化如上所述。 根据图2 - 3 的拓扑结构，每个单元h 桥均采用s p w m 调制，载波比为| j ， 载波频率为t ，采用不同的调制方法，输出电压波形也有差异。本文采用单极