（控制理论与控制工程专业论文）高压变频器控制策略的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 高压变频调速技术在大功率风机和水泵、以及轧钢工业等方面有着广阔的应 用前景。在这些场合，高压变频调速的应用不仅可以节能，还可以显著改善电机 运行性能。随着新型电力电子器件向高电压、大电流方向快速发展，多电平拓扑 逆变器成为高压交频调速主电路的首选方案，主要包括以下内容： 文章介绍了高压变频器的各种拓扑结构，并详细研究了级联型高压变频器的 拓扑结构，介绍了变频器中的主要部分：功率单元。为了提高高压变频器的可靠 性，高压变频器采用了旁路设计。 本论文主要介绍了高压变频器的两种控制策略：s p w m 控制技术和s v p w m 控制技术，s p w m 技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需 要的波形( 含形状和幅值) 。它与多电平逆变器拓扑结构的提出共生的，因为它不 仅决定多电平逆变的实现与否，而且，对多电平逆变器的电压输出波形质量，电 路中有源和无源器件的应力，系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。接 着介绍了s v p w m 技术的基本原理和调制方法，在s v p w m 技术和载波移相 s p w m 技术的基本方法的基础上，把空间矢量法中的连续对称开关调制方法( 七 段法) 和零矢量交替等开关频率优化的几种方法运用到相移电压空间矢量当中， 而且给出了具体的实现方法。 文章最后给出了高压变频器的硬件结构和所设计6 k v - 9 0 0 k w 功率单元级联 型高压变频器的实验波形，其现场运行的各项指标均达到了预期目标。 关键词：单元级联；高压变频器；拓扑结构；s p w m ；空间矢量控制 a b s t r a c t h i g hv o l t a g ea cd r i v es y s t e m sh a v eb r i g h tp r o s p e c ti nh i g hp o w e rp u m p sa n d m s ，r o l l i n gm i l l 觚ds oo n ，w h e r eu s i n ga d j u s t a b l es p e e ds c h e m ec 锄n o to n l ys a v e e n e r g yg r e a t l yb 眦a l s oi m p r o v e t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h em o t o r w i t ht h e d e v e l 印m e n to fh i g h v 0 1 t a g ea n dl a r g e - c u r r e n td e v i c e ，m u l t i l e v e r - i n v e r t e rb e c o m e s t h em o s tp o p u l a rt o p o l o g yi nh i g h - v o l t a g ea d ju s t a _ b l es p e e ds c h e m e t h em a i n c o n t e n t sa r es h o w nf o l l o w ： t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ev a r i o u sh i g h - v o l t a g ec o n v e n e rt o p o l o g y ，a n da d e t a i l e d s t u d yo fc a s c a d eh i g h v o l t a g ec o n v e i r t e rt o p o l o g y i n t r o d u c e d i nt h ei n v e f t e rm a i n p a r t s ：p o w e ru n i t i no r d e rt oi m p r o v et h e v 0 1 t a g ei n v e r t e rd e s i g no f t h eb y p a s s r e l i a b i l i t yo fh ig h - v o l t a g ei n v e r t e r ，ah i g h t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h et w oh i g h v o l t a g e i n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g y ：s p w m s v p w mc o n t r o l t e c h n o l o g y 锄dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，s p w mt e c h n o l o g y 缸o u g ha s e r i e so fp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，e q u i v a l e n tt oa c c e s st ot h en e c e s s a r yw a v e l o n n s ( i n c l u d i n gt h es h a p ea n da m p l i t u d e ) w i t hm u l t i l e v e li n v e r t e rt o p o l o g yo ft h e p r o p o s e ds y m b i o t i c ，n o to n l yb e c a u s ei t d e c i d e dt h em u l t i - l e v e li n v e n e rr e a l i z ei to r n o t 。觚dt h em u l t i 1 e v e lv o l t a g ei n v e r t e ro u t p u tw a v e f o mq u a l l t y ， a c t l v e如d n o n c i r c u i ts o u r c e so fs t r e s sd e v i c e ， t h es y s t e ml o s sr e d u c t l o n龃de m c l e n c y i m p r o v e m e n t sh a v ead i r e c ti m p a c t t h e no nt h es v p w m w i t ht h el n d 锄e n t a l p r i n c i p l e sa n dm o d u l a t i o nm e t h o d s ，i n t h eb a s i cm e t h o ds p w mt e c h n o l o g y s v p w mc a 玎i e rp h a s e s h i f t i n gt e c h n o l o g y 锄d o nt h eb a s i so ft h es p a c ev e c t o ri nar o wo f s v m m e t r i c a ls w i t c hm o d u l a t i o nm e t h o d s ( q i d u a nl a w ) a n d ，a l t e r n a t e l y ，a n do t h e r v e c t o rs w i t c ho p t i m i z a t i o no ft h ef - r e q u e n c yo fs e v e r a lm e t h o d su s e dt op h a s es h i 代 v o l t a g ev e c t o rs p a c e ，b u ta l s og i v e sas p e c i f i cm e t h o d t h ea r t i c l ef i n a l l yg i v e nt h eh i g hv 0 1 t a g ei n v e r t e ra n dt h eh a r d w a r cs t r u c t u r e d e s i g n e db y6k v 9 0 0 k wu n i tc a s c a d eh i g h v o l t a g ep o w e rc o n v e r t e re x p e n m e n t a l w a v e f o r m s ，t h em n n i n go ft h ei n d i c a t o r sh a v er e a c h e dt h et a r g e t k e y w o r d s ：c e l l si ns e r i e s ；h i g hv o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ； t o p o l o g y ； s p w m ； s v p w m m 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：白断 日期：wr 年月如 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 匈遵彳 日期：训r 年f 月心日 导师签名：压绛伊以日期： w u 降r 月砧日 硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 十一五规划建议提出，到2 0 2 0 年，中国要实现g d p 翻两番，能源消费将进 一步增加。我国迫切需要构筑稳定、经济、清洁的能源供应体系。建设节约型社 会是今后发展的一项重要内容。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济 的发展和人民生活水平的提高都极为重要。从而使有效地利用能源、节约能源是 建设节约型社会的具体体现。在2 0 0 3 年的中国电力消耗中，6 0 7 0 为动力电， 而在总容量为5 8 亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2 0 0 0 万千瓦的电动机是带 变频控制的。据分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1 8 亿 千瓦。而其运行效率比国外低1 5 3 0 。按近几年全国的经济发展状况，目前的实 际装机容量远远大于此数据。因此对电动机进行节能改造，潜力巨大。要建设节 约型社会，大力推广变频调速技术是实现这一目标的必要手段，它也是交流电动 机节能改造的工作重点。 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技 术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制己成为发展趋势。 交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改 善运行环境的一种主要手段。交频调速以其高效率，高功率因数( 单元级联多电平 逆变器功率因素可以达到9 5 以上) ，以及优异的调速和启动制动性能等诸多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。以前的高压变频器，由可控硅整流， 可控硅逆变等器件构成，开关频率低，电压和电流谐波大，对电网和电机都有影 响。随着t g b t ，l g c t ，s g c t 等电力电子元器件的开发，相应的控制技术的发展 和这些电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业中得到了更广泛的应用。 由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现p w m 逆变，甚至是p w m 整流。 不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。 作为节能目的，变频器广泛应用于电力、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，因此变频器在电力行业有着巨大的发展潜力，尤其是高压变频器和大 功率变频器。研究显示，仅电力行业，2 0 0 3 年的变频器市场规模就达到了2 5 亿 元。因此，变频器的节能应用前景非常广阔。 高压变频器控制策略的研究 1 2国内外发展状况 近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变 频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高一低一 高型；根据有无中间直流环节来分，可以分为交一交变频器和交一直一交变频器， 在交一直一交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源 型。 高压变频器正向着高可靠性、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。电流源型变频器技术成熟，且可四 象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐 波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。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 电压源型变频器在输入输出谐波、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。对于轧机，卷扬机等要 求四象限运行和动态性能较高的场合，双p w m 结构的三电平电压源型变频器会 得到广泛的应用【lj 。 由于多电平技术在高压变频方面应用较多，那么多电平技术在此方面的应用 可以代表多电平技术目前在高压大功率领域的应用现状。近年来高电压大容量的 变频器越来越受到重视，目前世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟 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，如何面对高压 使用条件的要求，国内外各变频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高电压大容量这一难题。当然在性能指标 及价格上也各有差异。如美国罗宾康( r o b i c o n ) 公司生产的完美无谐波变频器； 洛克韦尔( a b ) 公司生产的b u l l e t i n l 5 5 7 和p o w e r f l e x 7 0 0 0 系列变频器，德国西门 子公司生产的s i m o v e r t m v 中压交频器；瑞典a b b 公司生产的a c s l 0 0 0 系列变 频器；意大利a n s a l d o 公司生产的s i l c o v e r tt h 变频器以及日本三菱、富士 公司生产的完美无谐波变频器和国内北京的凯奇、先行、利德华福公司和成都佳 灵公司生产的高压变频器等【2 1 。 而多电平逆变器主要有以下几种拓扑结构：二极管箝位型，飞跨电容型和单元 级联型p j 。 1 2 1 二极管箝位型( d i o d ec l a m p ) 二极管箝位型结构如图1 1 所示。其结构特点是利用多个二极管对相关元件 进行箝位，解决了功率器件的串联均压问题。 硕士学位论文 图1 1 二极管蔽位三相三电平主电路 二极管箱位型拓扑结构有下列优点： ( 1 ) 不需要结构复杂的多绕组电源变压器而直接实现高电压，大功率，从而大 大降低功率变换装置的体积和成本； ( 2 ) 若整流也采用二极管筘位型结构进行有源整流，可以实现逆变器四象限运 行，能量双向流动： ( 3 ) 可以很方便的控制功率因素。 二极管箝位型拓扑结构存在以下缺陷： ( 1 ) 二极管箝位式功率变换电路传递有功功率时，直流侧电容由于一周期内流 入流出的电流可能不相等，造成直流侧电容电压不均衡： ( 2 ) 当电平数目增高时，二极管数目很大，增加了实际系统的实现难度，超过 三电平时会引起串联箝位二极管自身承受电压不均匀问题： ( 3 ) 电平数超过3 时，它的实现和控制存在着很大的难度，尤其是用矢量法控 制，矢量个数将随着电平数的立方增加； ( 4 ) 每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。 1 2 2 飞跨电容型( f 1 y i n gc a p a c i t a o r ) 飞跨电容型结构如图1 2 所示。它的结构特点是箱位电容取代二极管箝位型 电路中的箝位二极管。 图1 2 飞跨电容三相三电平主电路 飞跨电容型的拓扑结构优点： 高压变频器控制策略的研究 存在灵活的开关组合，因此可以利用这些组合来平衡箝位电容电压平衡问 题，可控制有功功率和无功功率。 跨电容型的拓扑结构缺点： 需要大量箝位电解电容。但是电容可靠性差、寿命短、体积大造成系统体积 庞大，因此这一结构在实际应用中较少。 1 2 3 单元级联多电平型 单元级联包括直流侧电压相等的传统单元级联和直流侧电压不等的混合单元 级联，其主电路结构如图1 3 所示。其中a 1 a 5 ，b 1 b 5 ，c 1 c 5 可以是三电平h 桥 单元，也可以是二极管箝位五电平h 桥单元，还可以是更多电平单元的级联。 图1 3 五单元三相级联图 单元串联多电平技术就是采用多组低电压小功率i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) ， p w m 变频单元串联输出为高压变频器，实现大功率集成。其特点是由低压的功 率器件所组成的功率单元相串联，从而实现高压的输出。由于采用的是功率单元 进行串联，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且该方案设计的变频 器具有模块化的结构，便于更换和维护。各变频单元由一个多绕组的隔离变压器 供电，并以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。其输出电压为2 3 6 k v ， 功率为8 0 0 5 6 0 0 k w 。多重化技术型与一般三电平技术变频器的输出谐波相比较， 多重化技术型高压变频器1 9 次以下的谐波几乎完全消除，所以不需要任何输出滤 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，不需要配置输出滤波器。因此清除了因谐波造成的电机振动、噪音 和温升等问题。由于谐波大为减少，所以变频器的效率高达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，适合于在功率为1 m w 以上的电动机中应用。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 硕士学位论文 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，单元串联多电平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，因此具有良好的市场前景。 1 3 市场应用前景 使用变频器进行电动机的调速控制， 降低启动电流，电动机可以实现高速化、 不仅可以实现标准电动机的连续调速， 小型化，而且具有低速时定转矩输出、 可以调节加减速的大小等优点【4 l 。中国拥有庞大的产业群，并保持着持续稳定的 发展；为了与国际接轨，众多的企业需要提升国际竞争力；人们生活质量不断提 高等，这些都是变频器市场的增长驱动力和更广泛应用的基础。 中国的变频器市场在过去几年内保持着1 2 2 0 的高速增长，在2 0 0 3 年， 由于建筑业的迅猛发展以及各行业的大量投资，当年同比增长达到了近4 0 ，市 场规模超过了5 5 亿元人民币。进入2 0 0 4 年，因2 0 0 3 年的市场基数突然增大，加 上国家加强了对冶金、建材等行业的宏观控制，变频器市场增长率大幅回落。随 着调控因素减弱，行业投资经过一轮休整，变频器市场会逐渐恢复到1 0 1 5 之 间的增长率。按此推算，在2 0 0 8 年市场将接近l o o 亿，并且这种速度的增长将持 续到2 0 1 2 年左右。这推论也引出我们的另一个判断，即在2 0 1 2 年之前，变频器 市场将不会饱和，增长率会维持在一个较高的水平。近年来变频器的市场规模及 增长率如表1 1 所示，整体看来我国变频器市场在未来几年内还处于快速增长期。 表1 1 变频器市场规模 1 4 发展趋势 变频调速是目前世界公认的理想节电调速技术。然而高压变频调速器却还没 有大规模在工厂企业普及运行。阻碍高压变频器推广应用的最大难题，是传统的 高压变频器谐波污染大，谐波不仅消耗无功，增加线损，影响继电保护可靠运行， 使电机产生附加力矩及损耗，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，高压绿色变频器应运而生。 高压变频器控制策略的研究 高压变频器今后的发展趋势是： ( 1 ) 模块化 模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的 模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统 连线，把寄生参数降到最低，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可 靠性。模块化结构的高压变频器体积小，便于工业化生产，而且使系统可靠性提 高。另外模块化的结构通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余模块，来提高 系统可靠性【5 】，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为 修复提供充分的时间。 ( 2 ) 数字化 全数字式高压变频器是今后的发展方向，全数字式的高压变频器一是：控制 系统的数字化。速度、电流等物理量的调节全部由计算机软件来实现。这些调节 工作在早期的变频器是由模拟调节器来完成的。二是：核心控制方法的数字化， 即高压变频器的s p w m 控制方式的数字化。由于高压变频器的s p w m 产生的复 杂性，现在许多的高压变频器是采用模拟的方式或数字、模拟混合方式，这样会 使s p w m 脉冲产生电路变得相当复杂，而且易受工作环境的影响。采用计算机实 时产生s p w m 方式，控制器的体积大大减小，电路复杂程度大大降低，而且不受 环境温度的影响。高压变频器的数字化技术使得自诊断技术、容错技术、网络技 术能更加方便地运用到高压变频器中去，高压变频器随着数字技术的发展将呈现 日新月异的变化。 ( 3 ) 绿色化 变频器的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约， 而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减小对环境的污染：其次变 频器不能对( 或少) 对电网产生污染，国际电工委员会( i e c ) 对此制定了一系 列的标准，如i e e e 5 1 9 。事实上，许多功率电子设备，往往会变成对电网的污染 源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多 毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。 1 5 本文的主要研究内容 本课题结合所参与的6 k v 、3 0 0 k w 级联式高压变频调速系统的研制，对级联 型多电平高压变频器进行了深入的研究工作。本文的研究对象是高压变频调速的 控制策略和实现技术：研究思路是研究目前已经成熟的各种高压变频控制策略，在 电压胞级联型高压变频器的基础上，提出新的控制策略和实现技术。 开展的工作：在全面系统地总结现有成果的基础上，提出了移相级联式s p w m 调制技术，并提出压变频器的矢量控制技术。 硕士学位论文 全文的章节安排如下：第一章为绪论，阐述了高压变频器的研究背景和研究 意义，指出了当前国内外高压变频器的研究现状和发展趋势以及市场应用前景。 第二章介绍了高压变频器的各种拓扑结构，并重点介绍了级联型高压变频器 的拓扑结构，为了提高变频器的可靠性给出了高压交频器的旁路设计。 第三章研究了电压型高压变频器的两种控制策略：s p w m 和s v p w m ，s p w m 已应用于实际中，s v p w m 该方法有待进一步研究。 第四章介绍了高压变频器的硬件结构设计并给出了所设计6 k v 9 0 0 k w 功率 单元级联型高压变频器的实验波形，其现场运行的各项指标均达到了预期目标。 并且对基于单元串联高压变频器的变频调速系统进行了实验分析，实验结果验证 了载波移相s p w m 调制方法应用于单元串联高压变频器的可行性、灵活性和理论 分析的正确性。初步达到预期的研究目标。 高压变频器控制策略的研究 第2 章级联型高压变频器拓扑结构及特点 2 1 引言 单元串联多电平p w m 电压源型变频器( c e l ls e r i e sm u l t i l e l lp w m ：c s m l ) 又称完美无谐波变频器，其性能达到甚至超过了i e e e 一5 1 9 国际谐波标准。 单元串联多电平p w m 电压源型变频器采用若干个低压p w m 交频功率单元 串联的方式实现直接高压输出。该变频器对电网谐波污染小，输入功率因数高， 不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置。输出的波形好，不存在由谐波引起的 电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出d u d t 、共模电压等问题，可以使用普通 的异步电动机。 2 2 高压变频器各种拓扑结构介绍 2 2 1 交交型高压变频器 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换器。如果对反并联变换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， 该反并联变换器就是一个交一交型高压变频器。单相输出交一交变频器电路如图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 单相交一交变频电路 硕士学位论文 如果交一交变频器的输出电压的基波为正弦= u 脚s i n ( q f ) ， 组的触发延迟角和按下列规律变化： 玑o c o s 口，2 也o c o s 吒2 u 肿s i n ( q f ) q p + q 2 冗 可简化为： 则可以使正、负 ( 2 1 ) ( 2 2 ) c o s 口p = 寻坦s i n ( q f ) = 七s i n ( q r ) ( 2 3 ) u d o 口口届口c o s 耻咖( q ，) 】 ( 2 4 ) 其中口。和七满足，o 口。 万，o 七 l 式中q 为输出电压基波的角频率，阢_ 为输出电压基波的幅值，。为正、负 整流器的理想空载直流电压，七为调制系数，七= 。 从上式可以看出，改变输出电压的频率，只需按要求改变正、负两组整流器 的触发角变化的频率即可。而改变输出电压的幅值，只需改变调制系统七值即可。 交交型变频器的输出电压和电流的波形如下图2 2 所示，输出电压为输入信号的 包络线，其基波即为所需要的有效电压。 溅阑蹶翮豳渤一 必燃燃必粼孟 i i ，弋 i 一 、 一云 l 3 4 图2 2 交一交型变频器输出电压和电流波形 对于三相输出形式的交一交型变频器，根据变频器中是否有环流电抗器可以划 分为无环流交一交变频器和有环流交一交变频器两种类型。有环流交一交变频器比无 环流交一交变频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，交一交型变频器具有以下特点： ( 1 ) 直接变换，具有更高的转换效率； ( 2 ) 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，输出波形较好，最高输出频率仅 高压变频器控制策略的研究 为电网的1 3 左右； ( 3 ) 变频器按电网电压过零自然换相，可采用普通晶闸管； ( 4 ) 因电路构成方式的特点，所用晶闸管数量较多； ( 5 ) 功率因数较低，特别在低速运行时更低，需要补偿； ( 6 ) 谐波含量大，对电源污染严重。 基于以上特点，交交高压变频器特别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 2 2 二电平式高压变频器 二电平式高压变频器的拓扑结构与传统的低压变频器的拓扑结构相似，但由 于高压变频器的输出电压较高，目前还没有形成像低压变频器那统一的拓扑结构。 根据是否有升降压变压器可以划分为高一低一高型高压变频器和功率器件直接串联 型变频器。 高一低一高型高压变频器，又称“间接高压变频器一，该系列变频器由降压变压 器、低压变频器、升压变压器三部分构成，如图2 3 所示。降压变压器原边接受电 网馈电，其电压可以为3 k v 、6 k v 或1 0 k v ，副边将电压变至与变频器相匹配的电压 等级。降压变压器可选择双绕组或三绕组，三绕组的变压器更有利于消除变频系 统对电网的谐波干扰及提高功率因数。中间的低压变频器根据电动机的需要实现 对输出频率和电压的调节，最后再通过升压变频器升高输出电压。这种变频器有 许多无法克服的缺点：( 1 ) 两台变压器增加整个变频系统的成本，使得整个系统的 体积也大大增加，也降低了系统转换的效率。( 2 ) 对于同样容量的变频器，由于高 一低一高变频器所承受的电流较大，功率器件自身的功耗较大，器件的散热也成了 一个大问题【1 3 】。 图2 3 高一1 氐一高型变频器结构 功率器件直接串联型高压变频器的拓扑结构与低压变频器的拓扑结构相似， 只是为了提高器件的耐压等级需要串联多个功率器件，其中功率器件有i g b t 、 g t o 、i e c t 、i g c t 等。目前常用的直接串联型高压变频器通常为电流源型变频 器，其中逆变桥由g t o 构成的电路结构如图2 4 所示。串联的两组晶闸管构成的三 相桥组成了整流电路，通过大电感进行滤波处理，可启到保护开关器件的作用。 该高压变频器的功率范围可达1 5 1 0 m w ，电压范围可达1 5 6 k v ，输出频率可达 硕士学位论文 1 2 0 h z 。电压超过3 k v 时，功率器件需串联。其优点是：采用合适的p w m 脉冲形 式时可得很低的转矩脉动；输出频率高，可达1 2 0 h z ；电机的损耗小；可四象限 运行；动态特性高；可实现无熔断设计，可靠性高；对电机绝缘无损害，电缆长 度无限制。其缺点是：不宜弱磁运行；功率因数与速度有关，网侧晶闸管整流， 输入电流谐波大；会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会施 加到电机定子绕组中心点与地之间，影响电动机的绝缘；对电网电压的波动较为 敏感，电压下降1 5 时会保护停机；对电动机的负载特性敏感，现场调试非常麻 烦。 zszsz c 乞一l s z5 z ；z ， z至zz；z zs z+ 77 飞 i 一 ， 们 i 一 、 0 ，中吧lz szsz c j - 上上1 。 z ；z ；z 、爿 v 么szsz至 ；z ；z ； 7 图2 4 功翠器件直接串联式高压变频器 2 2 3 多电平高压变频器 德国学者h o l t z 于1 9 7 9 年首次提出三电平功率变换器拓扑结构，可以说是大功 率变换拓扑发展史上的一次革命。其主电路采用常规的两电平结构，仅在每相桥 臂上增加一对开关作为辅助中点钳位。后来，日本学者n a b a e 等人于1 9 8 1 年的i a s 年会上发表论文，将辅助开关改为一对二极管，和母线分压电容中点连接，以辅 助中点钳位，这种功率变换器被称为中点钳位( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d 简称n p c ) 功 率变换器f 1 4 _ 1 6 1 ，h o l t z 和n a b a e 等人因此而享誉全球电力电子研究领域。后来经过 多年的研究，得到实际应用的多电平功率变换拓扑形式大致有三种：( 1 ) 二极管箱 位式拓扑结构；( 2 ) 电容悬浮式拓扑结构；( 3 ) 级联式拓扑结构。 1 二极管箝位式变频器 最早出现的二极管钳位式变频器为三电平结构，其中单相输出的主电路拓 扑结构如图2 5 所示。 高压变频器控制策略的研究 图2 5 单相二极管钳位式三电平变频器 其中见l 、d 口：、见。、d 6 ：是钳位二极管，分压电容c l 与c 2 完全相同，所以两 电容的分压均为。每个桥臂有四个功率器件串联构成。其中每两个开关器件同 时处于导通或关断状态。通过控制4 个功率器件的导通、关断，可以得到三种不同 的开关组合及相应的输出电压，如下表2 1 所示。1 表示导通，0 表示关闭。 表2 1 单相二极管钳位兰电平生成机制表 与普通的两电平p w m 变频器相比，采用中点钳位的三电平电路输出相电压增 加了一个零电平，输出线电压电平数则由3 个增加到5 个，电压的台阶高度降低了 一半，每个功率器件承受的关断电压仅为直流母线电压的一半，更为重要的是三 电平增加了输出p w m 控制的自由度，在同等开关频率的前提下，输出波形有较大 的改善，输出也相应下降。如果不加输出滤波器，三电平变频器直接输出时电 动机电流的总谐波失真可以达到1 7 左右，将会引起电动机谐波发热、转矩脉动； 同时输出电压跳变是直流母线的一半，较大，会影响电机的绝缘，因此一般要 配专用电机。如果使用普通电机，则要增加输出滤波器【1 7 9 1 。 若要得到更多的m 电平数，只需将直流分压电容改为( 聊一1 ) 个串联，每桥臂上 的开关器件改为2 沏一1 ) 个串联，每桥臂的钳位二极管数量改为( m 一1 ) ( 朋一2 ) 个，每 ( 肌一1 ) 个串联后分别跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行钳位，再根据与三 电平控制类似的方法进行控制即可。图2 6 所示是由一个单相全桥二极管钳位五 电平变换器的主电路结构。在这个电路中，直流母线电压被四个串联连接的电容 器q 、c 2 、g 、c 4 分成4 个电平。中点n 被定义为中性点，见”d d ：等为钳位二 极管，它们把开关器件的电压钳位为每个电容的电压值。采用相应的调制策略， 对电容电压进行叠加，使输出电压有5 种状态： + e + 粤。一导一日。图2 6 所示 的结构决定了对其电容电压进行调制时，相邻的4 个开关器件必须是同时导通或关 硕士学位论文 断，因此每一种电平状态唯一对应一种开关组合，所以对于相电压而言，无法采 用优化调制策略的办法来实现各个电容的充电平衡，对相电压的综合具有相当严 格的限制。当然，对于线电压是存在输出电平冗余状态的。 + e e 图2 6 单相桥式二极管钳位五电平拓扑结构 二极管钳位式多电平变频器主要有以下特点： ( 1 ) 无需复杂的变压器，可以直接实现高压大功率能量变换，结构较为简单， 需要采用的器件数目较少，整个装置的体积较小，功率密度高； ( 2 ) 各相共用母线电源，可以减少电容器件数量，若在整流和功率变换侧分别 采用同样的拓扑结构，可以进行双p w m 控制，功率因数可以做到l ，能较容易实 现电机四象限运行，适应于高性能的电机调速场合； ( 3 ) 由于每个桥臂上的对应电平位置的开关管的有效开关时间不一致，低电压 电平开关管的开通时间大于高电压电平开关管的开通时间，可以根据平均额定电 流来选择不同开关器件，进一步降低成本； ( 4 ) 钳位二极管承受的电压不均匀，某些二极管要耐很高的电压； ( 5 ) 单个功率变换器的有功功率流动控制比较困难，如果对电容的充放电不加 检测和控制，可能出现母线电容电位漂移，特别是对多电平的二极管钳位拓扑结 构，需要采取特殊的硬件辅助控制电路，增加系统实现的难度； 2 飞跨电容式变频器 单相输出的飞跨电容式多电平变频器的拓扑结构如图2 7 所示。图2 7 所示 的主电路结构也是基本单元的串一并联组合结构。由图可见，与二极管钳位多电 平变换器不同，这种电路采用的是飞跨在串联开关器件之间的电容进行钳位的， 它一路的开关状态和输出电平如表2 2 所示。 高压变频器控制策略的研究 图2 7 单相飞跨电容三电平变频器主电路结构 表2 2 单相电容钳位的三电平生成机制 从表2 2 可以看出，功率开关虬，眈：及虬，虬。跟二极管钳位时的状态是不 同的，他们不存在相反互补的关系。与前面的二极管钳位电路相比，该电路的电 压合成更为灵活，对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到【2 0 2 2 1 。 飞跨电容多电平电路也可以推广到m 电平，每相所需要的功率器件为2 ( 小一1 ) 个， 直流分压电容( m 一1 ) 个以及钳位电容( 所一1 ) ( 聊一2 ) 2 个，其拓扑结构这里不在赘述。 这种飞跨电容式拓扑结构的特点主要有： ( 1 ) 冗余的开关状态组合，输出电压合成时开关状态的选择具有更大的灵活； ( 2 ) 由于存在相内开关状态冗余，电容充放电过程可以被合理安排，可控制有 功和无功的合理流动； ( 3 ) 大量的电容使得功率变换器对电压短路时升高或跌落具有一定的鲁棒性； ( 4 ) 在有功功率流动时开关利用率和效率很低； ( 5 ) m 级的电平输出，需要( 朋一1 ) ( 研一2 ) + 朋个电容，数目众多的电容体积庞大， 成本高，安装也非常困难。而且电容价格比二极管要高，寿命比较短，使得整个 产品的生命周期反需缩短。由于大量电容的存在，以及电容的均压平衡问题，要 应用到实际系统中还有一定的难度。 2 3 级联型多电平高压变频器 级联型高压变频器是多电平变频器的一种特殊形式，又被称作为单元串联变 频器或完美无谐波变频器，是由美国的罗宾康公司首先发明。该系列变频器通过 若干功率单元的串联来实现高压输出，从本质上解决了以往高压大功率变频器存 硕士学位论文 在的许多问题，比如对电网的谐波污染大，输入功率因数较低，电机的转矩脉动 大，输出对电机绝缘的影响等。级联式多电平变频器中首次使用了i g b t 控制 技术，独特的构思和模块化的设计使得该系列变频器在可靠性、易维护性等方面 大大优于普通的高压变频器【2 3 2 5 1 。 图2 8 功率单元连接图 级联式多电平变频器的功率单元连接图如图2 8 所示。每相有五个功率单元 串联，单相相电压可达到3 4 5 0 v ，如果三相y 接对应线电压为6 0 0 0 v 。主电路的 拓扑结构如图2 9 所示，整个变频器系统包括多重化移相输入变压器、串联的功 率单元和高压电动机三部分组成。 图2 9 级联式多电平变频器主电路 按照这种主电路形式拓扑构成的高压变频器可以解决两个技术难题：高可 靠性，每一个功率单元都是一个小型的低压变频器，每相的电压由功率单元的输 出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障后，只会使相电压降低，通过旁路切 除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其它单元损坏的连环故障。 这是一个突出的优点，也是功率元件直接串联所不能比拟的。功率元件直接串联， 当 高压变频器控制策略的研究 只要有一个功率元件出现故障，就会导致整个系统不能工作，所以可靠性较差。 此种方式的高压变频器解决了对电网的污染问题，功率因数高【1 1 】变频器，它是 每相由多个低压变频功率单元相互串联通过叠加来实现高压输出。功率单元供电 的二次绕组相互存在一个相位差，以实现输入电压多重化。以6 k v 绿色变频器为 例，每相由6 个额定电压为5 7 7 v 的功率单元串联，三相共有1 8 个功率单元，分 别由输入隔离变压器的1 8 个二次绕组供电，1 8 个二次绕组分3 组，每组之间存 在2 0 u 相位差，形成相当于18 脉冲整流。使得电压总畸变率只有3 ，电流总畸 变率小于4 【l 引。图2 1 0 为高压变频器结构平面图，其主要由旁路柜、变压器柜、 功率柜和控制柜组成。旁路柜实现整体旁路功能；变压器柜安放移相变压器，为 每个功率单元供电；功率柜安放功率单元，为高压变频器的主要工作部分，实现 多脉冲整流输入和高压变频输出；控制柜为变频器的核心控制部件，控制变频器 的运行、停止、变频等。 旁路柜变压器柜功率柜控制柜 口 口 i佐 口 口口 口口口口口口口 口口口口口口 图2 1 0 功率单元级联型高压变频器结构平面图 2 3 1 高压变频器功率单元 对于额定输出电压为6 k v 的变频器，每相由6 个额定电压为5 7 7 v 的功率单 元串联而成，输出相电压最高可达3 4 6 2 v ，线电压可达6 k v 左右，每个功率单元 承受全部的输出电流，但只提供1 6 的相电压和1 1 8 的输出功率。由于不是传统 的器件串联的方式来实现高压输出，而是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。由于串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求很高。 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，以达到在满足输入、 硕士学位论文 输出波形质量要求的前提下，尽量减少每相串联单元的个数，降低成木，提高可 靠性。功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，易于移动、拆装和 现场维修。 j 上li j 磐 么么 么 专矗汀帮i ； x j r i 髭娅学 ； 么么 么 a l a 2 图2 1 1 高压变频器功翠单元结构 功率单元的结构如图2 1 1 所示，三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流 母线电压。当功率单元额定电压为5 7 7 v 时，直流母线电压为8 0 0 v 左右。逆变器 由4 个耐压为1 7 0 0 v 的i g b t 模块组成h 桥式单相逆变电路，通过p w m 控制， 在t l 和t 2 两端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流o 5 7 7 v ，频率为o 一5 0 h z ( 根据电动机的额定功率，可以相应的调整，最高可达1 2 0 h z ) 。由于采用 二极管不可控整流电路结构，所以变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或开 关操作引起的浪涌电压可以经过变压器( 变压器阻抗一般为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，而一般的电流源型变频器，输入阻抗很高，对浪涌电压的吸收 效果就远远不如电压源型变频器。 逆变器输出采用多电平移相式p w m 控制技术【5 6 】，同一相的功率单元输出相 同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现 多电平p w m ，输出电压非常接近正弦波。每个电平台阶只有单元直流母线电压 大小，d l l d t 很小，使得电动机绝缘不会受到影响。功率单元采用较低的开关频率， 以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器的功率。由于采取多电 平移相式p w m ，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出 波形，降低输出谐波，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都大大降低。所 以这种变频器对电动机没有特殊的要求