（电力电子与电力传动专业论文）级联型中高压变流器的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t f o rt h er e a s o n so fb u l k y 、p o o rp e r f o r m a n c ea n dm o r eh a r m o n i c s ，t h eu s eo f t r a d i t i o n a lh i 曲一p o w e rc o n v e r t e rh a sb e e ng o tm o r ea n dm o r el i m i t e d m u l t i l e v e l i n v e r t e r sh a v eb e e nd r a w i n gg r o w i n ga t t e n t i o nd u et oi t sh i g hv o l t a g eo p e r a t i n g c a p a b i l i t y , a n dd e v e l o p e dr a p i d l y i np a r t i c u l a r l yt h ec a s c e d em u l t i - l e v e li n v e r t e rh a s g o tw i d e s p r e a da t t e n t i o na n da p p l i c a t i o nf o ri t su n i p u es t r u c t u r ea n ds i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fm e d i u m h i g hv o l t a g ec o n v e r t e rh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i ss e v e r a lm e d i u m h i 曲v o l t a g ec o n v e r t e r sw i t i ld i f f e r e n t t y p i c a lt o p o l o g i e s ，a n d c h o o s et h e p r o j e c t i sc a s c a d e9 - l e v e lc o n v e r t e rw i t h 12 0 0 k v a 6 k vc a p a c i t yb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fi t s t o p o l o g ) ：a d o p t i n gt h e t e c h n o l o g yo fp h a s e s h i f t i n g a n dm u l t i p l y i n gr e c t i f i c a t i o n ，t h e na n a l y z i n gt h e p r i n c i p l eo f 2 4p u l s e sr e c t i f i e rt h a tc a ne l i m i n a t et h el i n es i d eh a r m o n i cc u r r e n ta n d r e d u c et h d ( q b t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) f o c u so nt h em u l t i l e v e li n v e r t e rc i r c u i ta n d i t sp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) t e c h n o l o g y , a n a l y s i st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo f c a s c a d en i n e - l e v e li n v e r t e r a l s o ，b yc o n t r a s tt os e v e r a lp w m t e c h n i q u e st h a tc a l l a p p l yt oc a s c a d e di n v e r t e r , p r o p o s et h ec o - s f o - p w mt e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e c a r r i e r - o v e r l a pp w mt e c h n o l o g ya n ds w i t c h i n g f r e q u e n c yo p t i m a lp w mt e c h n o l o g y , a n du s et h ef r e e d o mo fc a r r i e r - o v e r l a pc a na c h i e v eo p t i m a lc o n t r o lf o ro u t p u tw a v e i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e12 0 0 k v a 6 k vc a p a c i t yo fc o n v e r t e r ，t h i sp a p e ra l s om a k e aq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nw i t hr e c t i f i e rd i o d e s ，f i l t e rc a p a c i t o r , i g b te t c t ol i v eu pt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h i sp a p e rs e tu p 12 0 0 k v a 6 k vc o n v e r t e rs y s t e mb ym a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o nt e c h n o l o g y m u l t i p u l s er e c t i f i e ra d o p t2 4p u l s e sr e c t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , i tw a sp r o v e dt h a tu s et h et e c h n o l o g yo fp h a s e s h i f t i n ga n dm u l t i p l y i n g r e c t i f i c a t i o nc a ni m p r o v et h ep o w e rf a c t o ra n dr e d u c et h do ft h el i n es i d eh a r m o n i c c u r r e n t b ys i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e d e b u g b yc o m p a r i n g t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fn e wc o - s f o - - p w mt e c h n o l o g ya n ds h p w m t e c h n o l o g yf o r c a s c a d en i n e - l e v e li n v e r t e r , p r o v e dt h a tt h i sn e wp w m t e c h n i q u ec a r ls i g n i f i c a n t l y i m p r o v eq u a l i t yo ft h eo u t p u tw a v ea tl o wm o d u l a t i o nr a t i o ，a n dh a v el o wt h d o ft h e o u t p u tw a v ea th i g hm o d u l a t i o nr a t i o m o r e o v e r , i tc a ni n c r e a s eu t i l i z a t i o no fd c - s i d e v o l t a g e k e y w o r d ：c o n v e r t e r , m u l t i p u l s e ，c a s c a d e ，m u l t i l e v e l ，p w m ，t h d h 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 书。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权 不保密i 。 学位论文作者签名：厮员奎 导师签名： 却赴 签字日期：劢幻1 年6 月哆日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：辩灵爹 同期：2 0 l o 年莎月 2 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外技术现状及未来发展方向 随着国民经济的发展，小容量变流器已越来越不能满足现代化生产和生活的 需要。近年来，各种中高压变流器不断出现，在节约能源和环保等方面带来了很 好的经济效益，因此，提高电力电子变流装置的功率容量，降低成本，改善其输出 性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一【l 】。 中高压大功率变流器是近年来电力电子行业研究的热点，经过2 0 多年的发 展，其理论研究和拓扑结构出现了多个分支。中高压变流器不像低压变流器那样 具有成熟的、一致性的拓扑结构，而是限于采用目前电压等级的功率器件，如何 面对中高压使用条件的要求，国内外各变流器生产厂商八仙过海，各有高招，因 此其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了中高电压大容量这一难题，如 表1 1 所示为中高压多电平变流器装置的国内外生产厂商及其产品型号和容量， 当然在性能指标及价格上也各有差异。 表i - i 中高压多电平变流器的国内外生产厂商及其产品型号和容量 变换器娄型 开关器件功率范围制造厂家 两电平逆变器 i g b t 并联 1 4 7 2 m 1 l l r 阿尔斯通( v ) m 5 0 0 0 ) ( v s i )i g b t 串联 l t 册v a 成都佳灵公司 阿尔斯通v i ) m 6 0 0 0 ) i g 墨t0 3 - 8 哺y a s y m p h o n y 电容箝位 0 3 - 5 m v c 惯i )g c t蝎嚣& c s lo o o ) ( c s 0 0 ) 3 7 m y a g c t3 2 0 m y g e ( i r m o v a t io ns e rie zm v - s t ) i g b t0 6 - 9 m v a 西门子( s i m v e r t 一舶v ) i g b t0 4 - 4 5 聃1 i ，_ g e - 东芝( d u r a - b i l t 5 ) g t 02 5 1 8 m ，a 东芝( t o s v e r t - w s 6 5 0 ) 三电平= 极管箝位 i g b t o 0 3 5 - 0 5 m 性 山东风光电子公司 逆变器( 珊c v s 工) 0 i - 0 7 5 m ， 天津华云公司 i g b t 0 3 2 2 m 限 r o b ic o n 口e tf e c t m - m o r t y ) 0 5 - 6 m v a 东芝( t o s v e r t - m v ) 0 4 5 7 5 喇v a g e ( i n n o v a t io nm 卜g pt y p e h ) h - 矫级联式逆变器 i 印t o 2 3 5 m v a 北京利德华福公司 ( v s 工) 0 4 - 1 5 m n 东方凯奇公司 相对而言，国内技术比较落后，能够提供的中高压变流器产品比较单一，另 外受国际市场产品的冲击，国产的中高压变流器的产业规模还不大，技术成熟度 江苏大学硕士学位论文 和产品知名度上与国外产品相比还有一定差距【2 】。目前国内的生产厂商主要有北 京凯奇、利德华福以及成都的佳灵等。总体说来，中高压变流器的发展空间仍然 比较广阔，研制中高压变流器有利于提高国内中高压变流器产品的总体性能，有 利于与国外同类产品相抗衡，有利于中高压变流器的早日普及，对提高我国生产 工艺水平，节约能源有着极其重要的意义。 罗宾康公司率先引入多重化移相变压器和多电平移相式p w m 等概念，于 1 9 9 4 年推出了目前获得大面积推广的单元级联式多电平高压变频器，在该技术 领域一直处于领先地位，对这种技术方案的推广起了很大的促进作用【3 】。目前， 在单元级联多电平高压变流器的技术研制和生产上，国内的厂家及研究单位一直 处于国际先进水平，是国内电力电子领域少有的几项一直处于国际先进水平的产 品之一，所以对单元级联多电平高压大功率变流器的研究，无论在技术还是在实 际应用上都有十分重大的意义。 中高压变流器正向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入 输出谐波、低共模电压和低d v d t 等方向发展。对风机和水泵等一般不要求四象 限运行的设备，单元级联多电平p w m 电压源型变流器在输入输出谐波、效率 和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景【4 j 。阻碍中高压变流 器推广应用的最大难题，是传统的中高压变流器谐波污染大，谐波不仅消耗无功， 增加线损，影响继电保护可靠运行，使负载产生损耗，对弱电系统进行干扰，而 且还会使电网电压发生严重畸变，甚至发生电力系统安全事故。因此，绿色中高 压变流器应运而生，今后的发展趋势是： 1 1 中高压变流器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。 2 ) 全面实现数字化和自动化参数自设定技术、过程自优化技术、故障自诊断 技术。 3 ) 多电平结构是中高压变流主电路的首选，对风机和泵类等一般不要求四象 限运行的设备，性价比高的单元串联多电平高压变流器更具有竞争力。 4 ) 朝着模块化、数字化、绿色化的方向发展。模块化指的是功率器件模块 化和电源单元模块化；数字化指的是控制系统的数字化和核心控制方法的数字 化；绿色化有两层含义，首先一方面是显著节电，其次是变流器不能( 或少) 对 电网产生污染。 2 江苏大学硕十学位论文 1 2 电力电子器件的发展 电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙 头 。从1 9 5 8 年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始， 电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件 构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。 近2 0 多年来，电力电子器件的发展非常迅猛，从只能触发导通不能控制关 断的半控型器件，到可控制通断的全控型器件，从电流控制到电压控制( 场控) ； 从低频开关到高频开关：从单片元件到模块化、集成化、智能化；从小功率到大 功率，新一代的器件带来新一代的变流技术。电力电子器件的发展历程可以由以 下几个方面看出。 ( 1 ) 晶闸管是初期可控变流装置采用的主要器件，它只能触发导通不能控 制关断，属于半控器件，用于可控整流很适合，若用于可控的逆变器，就需要强 迫换流电路。 ( 2 ) 7 0 年代以后p m o s f e t 、b j t 、g t o 和i g b t 等全控器件问世，其 中b j t 和g t o 是电流控制型，而p m o s f e t 和i g b t 是电压控制型，即场 控器件。8 0 年代出现的i g b t 融合了m o s f e t 和b j t 的优点，其开关频率 高、采用m o s 门驱动、无二次击穿问题、导通压降小、安全工作区域宽，噪音 低，成为中小容量交流变频器的主要功率器件。 ( 3 ) 随着超大规模集成电路制造技术的提高，电力电子技术领域的新趋势 是发展功率集成电路( p i c ) ，将电力电子器件和驱动电路、保护电路、一部分检 测电路、甚至和微机的接口电路等集成在一个芯片内，体积小、功能多、成本低， 使硬件电路设计和开发变得简单可靠。目前p i c 只能达到低压小功率的水平， 如智能功率模块( i p m ) ，作为p i c 的过渡产品，在交流变流器中己大量使用。 为进一步提高电力电子器件的性能，很多公司对一种宽能带半导体材料一碳 化硅( s i c ) 进行了大量研究。s i c 材料相对于s i 材料有着更好的耐压性、热传导 率和饱和迁移速度等，这些优越性使得s i c 材料的功率器件耐压能力和开关频率 大大提高，同时显著降低通态损耗和开关损耗。目前市场上较为成熟的s i c 材料 的功率器件只有肖特基二极管，如美国c r e e 公司开发的6 0 0 v 1 a 、4 a 、6 a 、1 0 a 的肖特基二极管，具有几乎零反向恢复过程。在未来几年内，基于s i c 的场效应 3 江苏大学硕士学位论文 晶体管和静电感应晶体管有望投入市场，中高压大功率变流技术也势必会随之产 生一场新的变革【4 】。 随着电力电子器件的不断更新换代，变流技术也在向前飞速发展。由晶闸管 组成的相控型逆变器，在负载及输电线路上产生较大的低次谐波，并从输电线路 吸收大量滞后的无功电流，常需配备庞大而昂贵的滤波器，使装置复杂化、体积 庞大，性价比较低。电流电压p w m 逆变器则能有效地消除谐波，并不产生无 功功率。电力电子器件和变流技术的广泛应用，将节省许多能量，大大减小设备 尺寸，增大性价比，同时将导致火力发电机退出历史舞台，进而消除空气污染、 酸雨、温室效应等一系列环境问题，以及缓和能源危机问题。综上所述，电力电 子器件是现代交流调速系统发展必备的物质基础，它的迅速发展推动交流系统不 断更新。 1 3 课题的研究目的和意义 变流器以节能为目的，广泛应用于电力、冶金、石油、化工、市政、中央空 调、水处理等行业。以电力行业为例，由于中国大面积缺电，电力投资将持续增 长，同时，国家电改方案对电厂的成本控制提出了要求，降低内部电耗成为电厂 关注焦点，因此变流器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是中高压变流器。 研究显示，仅电力行业，2 0 0 3 年的变流器市场规模就达到了2 5 亿元。因此， 变流器的节能应用前景非常广削5 1 。除了节能的角度看其经济效益之外，变流装 置的使用，改善了功率因数，避免了直接起动造成对电机损坏和对电网的冲击事 故，直流改为交流，减少了停产维修时间，装置的智能化优化了生产工艺，提高 了产品质量，也带来了十分可观的直接经济效益，在某些场合大于节电本身带来 的效益。鞍钢在已经完成的数量并不多的交流改造中，仅减少维护量带来的经济 效益每年达几千万。针对大、中型厂矿中实际落后的风机、泵类、压缩机等大中 型电机驱动系统，及目前在国内大功率i g b t ( i g c t ) 变流器生产能力很低的 情况下，开发中高压变流器，其意义在于：具有良好的节能效果，巨大的市场容 量，以及广阔的产业化前景和经济效益【6 】。 抑制谐波已经成为对变流器供电系统而言所面临的一个重大课题。理想公用 电网所提供的电压应该是工频基波电压。谐波电压和谐波电流的出现，对公用电 4 江苏大学硕士学位论文 网是一种污染，它们使用电设备所处的工作环境恶化，也给周围的通信系统和公 用电网以外的设备带来危害。人们对电力系统谐波的研究可以追溯到上世纪二三 十年代，但那时的睹波污染并不严重，因此并没有引起人们足够的重视。近三四 十年以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备广泛应用于电力、 电信、交通等行业中；同时家用电器、工业电弧炉、电气化铁道等大量非线性设 备的出现，使得公用电网的谐波污染问题f 1 趋严重，由谐波引起的各种故障和事 故也频频发生。谐波问题不仅已经成为电力系统安全稳定运行的一大威胁，而且 大大降低了用电设备的工作性能。因此，谐波治理已经刻不容缓。变流器产生的 电压和电流多为非正弦波，其中包含了大量的高次谐波，这些高次谐波对接入同 一电网的其它电气和电子设备造成谐波干扰，甚至会危险设备及系统的安全，造 成设备损坏和系统事故【7 】。电力电子装置已经成为公用电网中最主要的谐波源， 电网中的谐波污染日趋严重。正因为它对电力系统和用户产生多方面的不利影 响，所以近年来，谐波污染问题愈来愈受到人们的重视，为保障电网的供电质量， 谐波必须加以治理。世界各国对谐波抑制技术进行了深入的研究，对允许注入电 网的谐波均制定了相应的标准。 多重化和多电平技术的迅速发展可以有效地解决中高压变流器的容量等级、 谐波抑制等方面的因素制约。级联型多电平技术就是采用多组低电压小功率 i g b t ，p w m 变流单元级联输出为中高压变流器，实现大功率集成。多重化技 术与一般三电平技术变流器的输出谐波相比较，不需要任何输出滤波器，从本质 上就能保证提供正弦波电压输出，而且即使在低速时也能保持很好的正弦波形。 因此清除了因谐波造成的负载噪音和温升等问题。由于谐波大为减少，所以变流 器的效率高达9 8 以上。又由于采用低压功率器件，所以工作可靠，调节性能优 越，完美无谐波，对电网几乎无影响。该方案的原型是由美国的罗宾康公司提出 并取名为完美无谐波变频器。但是由于它采用二极管整流电路，所以能量不能回 馈电网，无法实现四象限运行。但是对于风机和水泵等不要求四象限运行的设备， 单元级联多电平p w m 电压源型变频器在输入与输出谐波、效率和输入功率因 数等方面都有明显的优势【8 l 。另外，随着大量电力电子装置的普及使用，电网受 到日益严重的谐波污染，而无功补偿和有源滤波装置也向着高电压大容量方向发 展，因此，多电平变流器在电能质量综合治理上也有着广泛应用。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文主要工作和结构 总体而言，低压变流器已经比较成熟中高压变流器正在迅速发展，人们往 往希望大功率、耐高压的电力电子变流器能够工作在尽可能高的开关频率下，以 便提高输出波形质量，但大功率开关器件所允许的开关频率低，难以将p w m 技 术应用于传统大功率变流器，以达到改善其性能的目的。因此，人们试图通过对 大功率变流器的电路拓扑和控制策略两方面进行研究，以便在提高电力电子变流 装置容量的同时改善其性能。一个好的电路拓扑再配合合适的控制策略往往能提 高大功率变流器的性价比。因此，随着中高压变流器的应用领域日益广泛，对它 的拓扑结构及p w m 调制技术的研究具有一定的理论价值和实用意义。本文设计 的是1 2 0 0 k v a 6 k v 电压型变流器用于提供s v g 变流系统。主要针对变流器的 拓扑结构以及p w m 控制策略做了仿真分析和实验研究，具体工作内容如下：、 第一章为绪论，主要介绍了中高压变流器的国内外发展现状及课题的研究目 的和意义，并概括了本文的主要研究工作内容。 第二章通过对几种典型的中高压变流器拓扑结构：器件直接串联型变流器、 二极管箝位式多电平变流器、飞跨电容式多电平变流器、级联型多电平变流器等 简单的原理分析基础上，提出本课题设计的总体框架。 第三章介绍了变流器的整流部分设计，采用移相多重化整流技术，可以有效 地消除网侧谐波，并得到良好的直流侧输出波形。着重分析了2 4 脉波整流器的 拓扑结构及多脉波整流技术消除谐波的机理。 第四章介绍了变流器的逆变部分设计，采用级联型多电平拓扑结构，可以有 效地提高耐压等级，并得到畸变率较低的交流输出波形。着重分析了级联型9 电平逆变器的拓扑结构，并讨论了适用于级联型中高压变流器的p w m 调制技 术，在此基础上深入研究了新型的c o s f o p w m 调制技术。 第五章通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，搭建了移相整流技术消除谐波 仿真模块以及p w m 调制技术用于级联型中高压变流器的仿真模块，并在此基础 上给出了仿真波形。另外搭建了单相2 4 脉波移相整流器的实验样机，利用测量 仪器f l u k e 测得实验波形。 第六章为结论与展望部分，对本文所做的工作进行总结，并对下一阶段工作 进行展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章中高压变流器的拓扑结构分析 2 1 变流系统的基本构成 变流器根据有无中间直流环节，可以分为交交变流器和交直交变流器。在 交直交变流器中，根据中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压源型和电流 源型；根据中高压组成方式，可分为直接中高压型和中高低中高型；中高低 中高型变流器采用变压器实行输入降压、输出升压的方式，其实质还是低压变流 器，只不过从电网和负载两端看来是高压的，这是受制于功率器件电压等级技术 条件而采取的变通方法，需要输入、输出变压器，存在中间低压环节电流大、效 率低下、可靠性下降、占地面积大等缺点，因此只适用于一些小容量负载，而在 中高压大功率变流领域，目前比较流行和适用的方式都是采用直接中高压型1 9 1 。 2 1 1 交一交变流系统 交一交变流器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接 式变流器。将两组极性相反的相控整流器并联，并在直流侧有两种电压极性和两 个电流方向的电路称为反并联变流器。如果反并联变流器的输出端产生一个连续 变化的平均电压，从而直接将输入电源较高频率的输入电压变换为频率可变的输 出电压，该反并联变流器就是一个交交型变流器【10 1 。单相输出交交变流器电路 如图2 1 所示。交流输出的正半周电流由正相整流器提供，负半周电流由负相整 流器提供。为了使输出电压的谐波减少到最小，正、负两相整流器的触发延迟角 可按正弦规律进行控制。 图2 1 单相交交变流电路 另外，对于三相输出形式的交交型变流器，根据变流器中是否有环流电抗器 7 江苏大学硕士学位论文 可以划分为无环流交交变流器和有环流交交变流器两种类型。有环流交交变流 器比无环流交交变流器多了一套抑制环流产生的环流电抗器，目前常用到的拓 扑结构有3 脉波零式电路、6 脉波分离负载桥式电路、6 脉波非分离负载桥式电 路、1 2 脉波桥式电路等几种。 综上所述，交交型中高压变流器具有以下特点： 1 ) 直接变换，具有更高的转换效率。 2 ) 变流器按电网电压过零自然换相，可采用普通晶闸管。 3 ) 功率因数较低，特别在低速运行时更低，需要补偿。 4 ) 因电路构成方式的特点，所用晶闸管数量较多。 5 ) 谐波含量大，对电源污染严重。 6 ) 由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因 而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较差，最高输出频率仅为 电网的1 3 左右。 基于以上特点，交一交型中高压变流器一般只适合于大容量的低速传动，在轧 钢、水泥、牵引等方面有广阔的应用前景。 2 1 2 交一直一交变流系统 交直交变流器先将电网的工频交流电整流成直流电，再将此直流电逆变成 频率可调的交流电，因此又称之为间接变流器。电流型交一直一交变流器，中间直流 环节主要采用大电感滤波，这使中间直流电源近似恒流源。电压型交直交变流 器，中间直流环节主要采用大电容滤波，这使中间直流电源近似恒压源，经过逆 变器得到的交流输出电压 i m 2 。 图2 2 交直交变流器的基本构成 8 江苏大学硕士学位论文 交直交变流器的基本构成如图2 2 所示，由主电路( 包括整流电路、直流中 间电路、逆变电路三部分) 和控制电路组成。 1 ) 整流电路：电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相( 也可以是单相) 交流电整流成直流电。 2 ) 直流中间电路：将整流电路输出的直流电进行平滑，以保证逆变电路和控制 电源得到质量较高的直流电源。当整流电路是电压源时，直流中间电路的主 要元器件是大容量的电解电容；当整流电路是电流源时，直流中间电路主要 由大容量电感组成。此外，直流中问电路中有时还包括制动电阻及其他辅助 电路。 3 ) 逆变电路：它将直流电逆变成交流电。在实际的中高压变流器中，拓扑结构 还不统一，而最常见的是二极管箝位式多电平和功率单元级联式多电平的三 相逆变器。通过有规律的控制逆变器中开关器件的通与断，可以达到变压和 变频的目的。 4 ) 控制电路：控制电路的主要作用是控制开关器件的导通时刻和开关时间，一 般由微电路组成，现在的控制电路高度集成，有保护、检测、计算和脉冲输 出等丰富的功能。 2 2 中高压变流器的主电路拓扑结构 在中高压变流器大量应用的促使下，多电平变流技术已经成为当前电力电子 技术中备受人们关注的重要研究热点，也因此使变流技术出现了完全相反的两条 道路：一条是高频软开关道路；另一条是低频多电平道路。两者虽然都是为了减 小开关应力、改善输出电压波形，但走的道路却是截然相反的。前者的目标是追 求高频化和软开关，并将开关频率提高到兆赫级，而后者的出发点则是通过对主 电路结构的改进实现多电平基频化。前者适合低压、中小容量的变流器，而后者 则适合中、高压大容量的变流器。前者的技术已经基本成熟，而后者的技术目前 还处于发展阶段【8 】。本论文主要研究中高压变流器，其主电路拓扑结构主要表现 为以下几种：器件直接串联型变流器、二极管箝位式多电平变流器、飞跨电容式 多电平变流器、级联型多电平变流器。本章以下小节将对这些拓扑结构做简要的 研究和分析。 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 器件直接串联型变流器 这是一种最简单和直接的方案，为了用小功率的开关器件实现大功率变换， 将器件串联以承受高压，将器件串联以承受大电流。串、并联在一起的各个器件， 被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。国内成都佳灵公司生产的中高压 变流器便是采用此种结构并申请了专利，其拓扑结构如图2 3 所示，它无需输 入和输出变压器，使得变流器的体积和占地面积都大大减小。 一 叼砸l t j 一= = ：；：车：臣车 zz土z 一 z2z _ _ 王l 奄蹲 zz 2zz 图2 3i g b t 直接串联的中高压变流器拓扑结构图 这种结构的优点是可以利用较为成熟的低压变流器拓扑结构、控制策略和控 制方法。而其缺点也较为明显，主要表现为：由于功率器件参数的离散性，需要 复杂的动、静态均压电路和均流电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加； 而器件均流，对于具有负温度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时， 对于器件的串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量短。 在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是必不可少的，降 低了系统的可靠性，并且这一方案对输出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用 范围受到了一定的局限1 3 】。近年来，随着器件功率水平的不断提高，应用范围 逐步缩小。 2 2 2 二极管箝位式多电平变流器 1 9 8 0 年a n a b a e 等学者首次提二极管箝位式三电平逆变电路的拓扑结构， b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 等学者又于19 8 3 年进一步提出了具有更多电平数的电路拓 扑。二极管箝位式多电平变流器是开发最早的一种多电平变流器。这种多电平变 1 0 江苏大学硕士学位论文 流器的特点是主电路和控制电路比较简单，控制方式也比较简单，便于双向功率 流动的控制，功率因素控制也方便。这种多电平变流器是分析研究箝位式多 电平变流器的基础。在国内外，这种结构形式的多电平变流器已进入到实用化阶 段。 图2 4 是二极管筘位式五电平变流器的单臂拓扑结构，以a 相单臂电路作为 分析对象。分压电容c l = c 2 = g = c 4 ，因此u c 。= u c ：= u c ，= u c 。；a 相桥臂有 8 个开关器件瓯。& 。，每4 个开关器件同时处于导通或者关断状态，其中( s o 。， & ，) 、( 配：，配。) 、( e 3 ，s 0 7 ) 、( 。，s o 。) 为互补工作的开关对，也即当其 中的一个开关导通时，另一个一定关断；反之亦然。哦。，坳饿：，助。：， v d 0 3 ，v d 。3 为箝位二极管。 u 图2 4 二极管箝位式五电平变流器的单相拓扑结构 五电平逆变器的输出电压与开关状态之间的关系见表2 1 ，逻辑“1 ”表示功率 器件开通状态，逻辑“0 ”表示功率器件关断状态。对于三相系统n 电平的二极 管箝位式逆变器拓扑结构，需要( n 1 ) 个直流分压电容，6 ( n 1 ) 个主开关器 件，3 ( n 1 ) ( n 2 ) 个箝位二极管。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 二极管箝式五电平电路的输出开关状态 输出 开关状态 相电压 s a ls 也s a 3s a 4s a 5s a 6s a 7s a 8 l l d e 2 l11l 0 00 0 1110l000 0111000l u d c 4 l01l0 0l0 l10l0100 0 ll010 0 i ll001l00 001l001l 0 l 010l01 0 l00l0ll0 0l01010l l000ll10 000l0lll - l l d e 4 00l 0l01l 0l00l10l - u d e 2 0000lill 另外，二极管箝位式多电平变流器的拓扑优缺点归纳如下： 一、优点： 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2 ) 由于开关频率可以较低( 存在工频开关的可能性) ，因此对开关的约束很少， 开关损耗小，效率高。 3 ) 可以控制无功功率的流动。 4 ) b a c k - t o b a c k 连接系统控制简单。 二、缺点： 1 ) 随着电平数的增加，需要的大功率箝位二极管的数目也将成倍的增加。 2 ) 箝位二极管要承受很高的反向击穿电压。 3 ) 必须要维持电容电压的持续平衡。 2 2 3 飞跨电容式多电平变流器 飞跨电容式多电平逆变器也叫做悬浮电容多电平逆变器，它是法国学者 t a m e y n a r d 和h f o c h 于1 9 9 2 年首先提出来的【1 5 1 。飞跨电容式多电平逆变器是 用飞跨电容对功率开关进行直接筘位的，因此不存在二极管箝位式多电平逆变器 中功率开关管的阻断电压不均衡和筘位二极管反向电压难以快速恢复的问题。 1 2 江苏大学硕士学位论文 u 图2 5 乜跨电容式五电平变流器的单相拓扑结构 图2 。5 为飞跨电容式五电平变流器的堆臂拓扑结构，以a 相单臂电路作为 分析对象，& 。& 。为功率开关管，e c 口。为箝位电容，每个电容都具有相同 的容值和电压，c l c 4 为直流分压电容。由图可见，与二极管箝位式多电平变 流器不同，这种电路采用的是跨接在串联开关器件之间的串联电容进行箝位的， 对于三相系统1 1 电平的飞跨电容式多电平变流器拓扑结构，需要( 1 1 - 1 ) 个直流 分压电容，6 ( n 1 ) 个开关器件，以及3 ( n 1 ) ( n - 2 ) 2 个箝位电容。 表2 - 2 飞跨电容式五电平电路的输出开关状态 输出 开关状态 相电压 s a ls a 2s a 3s a 4s a 5s a 6s a 7s a 8 u d c 2 ll1l0000 ll01l000 0ll l0 00l v d c ，4 l0ll00l0 l10l0l00 01l0l00l 0l010l0l 10010ll0 0 l 0 l0 l0l 0 0 0l 1 00l1 1l00ll00 l000lll0 0l00 l101 - u d c 4 00l0l01 1 00010lll - g d c 2 0000l111 江苏大学硕士学位论文 它的开关表如表2 2 ，逻辑“1 ”表示功率器件开通状态，逻辑“0 ”表示功 率器件关断状态。从表中可以看出，该电路具有大量的冗余开关状态。并且，为 输出给定的电平电压，无论负载电流流向如何，都可以从中找到能同时平衡飞跨 电容电压的合成方法。因此，与二极管箝位多电平变流器相比，电容箝位多电平 变流器的电压合成控制和电容电压的平衡控制都更加灵活。 另外，二极管箝位式多电平变流器拓扑的优缺点归纳如下： 一、优点 1 ) 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 2 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。 3 ) 可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。 4 ) 电平数容易扩展，大量的开关状态组合冗余，控制比较灵活。 二、缺点 1 ) 此种结构由于需要大量的电容器，大大增加了装置的体积，同时也增加了装 置的成本。 2 ) 用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。 2 2 4 级联型多电平变流器 一般认为，级联型多电平变流器较早是由m m a r c h e s o n i 等人在1 9 9 8 年的 p e s c 会议上提出的，它当时用于等离子体的稳定性要求。实际上，r h b a k e r 等人在1 9 7 5 年就对级联型拓扑申请了专利【1 6 】，但是在此后的很多年罩并没有 得到推广应用。直到1 9 9 7 年，文献 1 7 、1 8 】两项专利对级联型拓扑在电机传动 和电网中的应用进行了讨论之后，级联型拓扑才得到了较为广泛的应用。级联型 多电平变流器根据每个h 桥直流侧电压等级是否相同，可以分为标准级联型多 电平变流器和混合级联型多电平变流器，以下将对这两种拓扑作简单分析。 2 2 4 1 标准级联型拓扑结构 标准级联型即采用相同电压直流电源的串联h 桥拓扑，其直流电压等级相 同。如图2 6 所示为标准级联型五电平变流器的单相拓扑结构，以a 相电路作为 分析对象，可输出含有5 个不同电平的相电压。当。，、：。、& ，：和配：导通 时，h 桥单元日彳，和h 彳：的输出都是，即u a h 。= h ：= 。则逆变器的输出 1 4 江苏大学硕士学位论文 的相电压= 。+ ：= 2 睨。与此类似，当咒，。、。、配。：和4 ：导通时， = 2 其他三个可以输出的电压电平分别为，0 和一，它们分别对应 不同的开关状态组合。对于三相系统标准级联式多电平变流器拓扑结构，若每相 串联的h 桥单元数目为m ，则输出相电压电平数n = ( 2 m + i ) ，三相变流系统所需 的功率器件个数k = 6 ( n - 1 ) 。 u u 图2 5 标准级联型五电平变流器的单相拓扑结构 表2 - 3 标准级联型五电平电路的输出开关状态 a u 埘 n 输出开关状态 相电压s a l ls a 3 ls “1s q 2 1s a l 2s a _ 3 2s a 4 2s a 2 2 2 u d c1001l00l 1 00lt l0 0 100l00i1 v a c l100l00l o0lll0ot 0 0o00 0 00 l i000 0 1 1 1l00ll00 o 10010ll0 l00l0il0 0 ll0l 0 0 1 0ll0i100 ol1000l l u a c 1l000l l0 00ll0ll0 2 u d c0ll00ll0 江苏大学硕士学位论文 表2 - 3 为标准级联型的五电平电路的输出开关状态。从表中可以看出，某些 电压电平可由超过一种的开关状态实现，这种冗余性的开关状态在多电平逆变器 中非常普遍，使开关状态的设计变得很灵活。 另外，标准级联型多电平变流器拓扑的优缺点归纳如下： 一、优点 1 ) 正弦输出电压，并且电平越高产生的波形就越接近。 2 ) 该结构逆变器特别适合于高压、大功率场合的应用。 3 ) 可以采用模块化结构，提高的装置的可扩展性。 4 ) 独立直流电源供电，不存在电容电压平衡问题。 5 ) 与其二极管筘位式多电平和飞跨电容式多电平相比，也有明显的优越性，如 对于相同的电平数，所需器件最少，易于封装。 二、缺点 1 ) 需要大量的独立直流供电电源。 2 ) 不易实现四象限运行。 2 2 4 2 混合级联型拓扑结构 混合级联型即采用不同电压直流电源的串联h 桥拓扑，其直流电压等级不 同。为了增加输出电压的电平数和提高波形质量，越来越多的文献对改进的级联 型拓扑进行了研究【1 9 】。 图2 7 混合级联型七电平变流器的单相拓扑结构 1 6 a u 埘 n 江苏大学硕士学位论文 通过对不同单元采用不同的直流电源，可以用较少的级联单元得到较多的电 平输出。典型的电压组合是按照二进制的方法，即各个单元的直流电压比为 l ：2 ：2 2 ：2 ”1 ，这样可以在输出端得到2 ”1 个阶梯波。如图2 7 所示为混合级联 型七电平变流器的单相拓扑结构，以a 相电路作为分析对象，h 桥单元h _ 。和日月2 的直流电压分别为和2 u ，每相虽然只有两个h 桥单元，但可以输出七种不 同的电平，即、2 、3 u 、0 、一、一2 、一3 。 表2 4 混合级联型七电平电路的输出开关状态 输出开关状态 相电压 s a l ls a ：3 1s “ls a 2 ls a l 2s a 3 2s a 4 2s a 2 2 3 u d c1001l00i ll00l00l 2 l r d e 0011l00l l00lll00 u d c l00l0 0 ll 0ll0l 00 l 00 l i0 0l 1 00llil00 o ll000o1l l 1 0 0l 100 l00l0ll0 一l h l e 0ll0ti00 0ll