单元级联型高压变频器开题报告.doc

单元级联型高压变频器的研究1、高压变频器技术的概述随着电气传动技术的发展，尤其是变频调速技术的日益进步，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工业过程对电机调速控制的要求，既可提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本【1】【2】。我国有大量大功率传动机械，如大功率风机、泵类电机等大都由高压电网供电，由于多采用直接恒速拖动，装置裕量较大，运行时负荷率低，能耗太大。这些功率传动机械若采用调速传动，通过改变转速来调节流量和压力，可以节约大量的电能，据统计，平均节电率可达30%68%。因此，高性能的高压大功率变频调速装置的市场潜力巨大，应用前景十分广阔【3】。在交流调速领域，低压变频器的研究和应用已经相当成熟，而高压变频器则以其广阔的应用前景和巨大的市场要求，以及高压变频调速存在的技术难度大、技术容量高等特点，成为近年来交流调速的研究热点之一【4】【5】。高压变频器和低压变频器存在许多不同之处，主要表现在：（1）低压变频器技术已经十分成熟，电路拓扑结构单一，而高压变频器技术正处于发展完善当中，出现了多种电路结构，各有优缺点。（2）低压变频器已经形成通用产品系列，并做到技术规格国际化，而高压变频器尚待完善，世界著名的电气公司在高压变频器方面展开着激烈的竞争。（3）由于功率器件的耐压水平不断提高，低压变频器不需要功率器件的串联，而高压变频器仍在为耐压问题寻求解决方案。（4）低压变频器应用简便，而高压变频器需要在应用中解决相应技术问题。（5）低压变频器产品已系列化，单位容量价格较便宜，趋于稳定，而高压变频器单位容量价格较贵，初期投资大，并且不同厂家的价格差异也较大。（6）在高压变频器中要解决绝缘，高低压隔离及控制信号传递等问题。以前的高压变频器由可控硅整流、可控硅逆变等器件构成，控制复杂，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件，如IGBT、IGCT、SGCT等等改变了这一现状，由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高【6】。能源是工业的命脉，电力是工业的基础。高性能高可靠的高压变频器市场潜力巨大，应用前景十分可观。尽快推出新一代高性能高压变频器，对提高我国大容量高压电机调速水平，提高产品的产量和质量，大幅度降低能耗，节约能源、治理环境污染等方面具有非常重要的经济效益【7】。2、国内外研究现状上世纪末以前，高压大功率变频器都采用国外进口品牌。如美国罗克韦尔公司的PowerFlexTM7000高压变频器，是采用SGCT功率器件串联的交一直一交电流源型变频器，与电动机的特性有关，调试比较困难，并且du/dt较大，对电机的绝缘影响较大，是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品。总的来说，国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。儿乎所有的产品均具有矢量控制功能，同时完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点【8】。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下：（1）技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。（2）能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000kW。（3）变频调速产品的技术标准比较完备，相关的配套产业及行业初具规模。（4）能够生产变频器中的功率器件，如工IGBT、IGCT、SGCI等。（5）产品国际化，当地化加剧。国外产品的共性是质量好，可靠性高，但价格也很高，且对我国电网的适应能力差，用户界面差(需要汉化)，售后服务响应差。备品备件供应差，且价格昂贵。以上因素给国内用户带来很大的不便。我国高压变频器市场潜力巨大，应用前景十分广阔，目前国内在高压变频调速领域展开了积极的研究。早在1997年，国内企业就独立研制成功了国内第一台单元串联多电平的6kV高压变频产品，之后的10余年时间里，国内学术界、产业界、政府有关部门、用户对高压变频技术投入了巨大的精力，使得高压变频器发展态势迅猛。进入新世纪以来，国产高压变频器企业迅速崛起，并以惊人的速度占领市场。这将对我国高压变频器品牌占领国内市场起到积极的作用，并为我国创建节约型社会送来强劲的东风【9】。目前国外各公司高压变频器的产品和技术相对成熟，但尚未形成统一的拓扑电路。而是各厂商根据目前现有的不同的电压耐量的不同的功率器件，针对高压应用条件的要求，采用不同的主电路拓扑结构，都研制出了各自的变频器产品。虽然在性能指标上各有差异，但都较为成功地解决了中高压大容量的问题。其中国际上比较知名的变频器产品主要有：美国洛宾康(ROBINCON)公司生产的完美无谐波变频器，美国洛克威尔(ROCKWELL)公司生产的A一B(ALLEN一BRADLEY)品牌Bulletin1557和PowerFlex7000系列变频器，德国西门子公司生产的SIMOVERTMV高压变频器，瑞典ABB公司生产的ACSl000系列变频器，以及日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器等【10】【11】。高压变频器根据实现高压的途径【12】，大致可以分为两类：一种是采用升、降压变压器的“高一低一高”方案，也称为间接高压变频器；另一种为无输入、输出变压器的“高一高”方案，也称为直接高压变频器，下面对这两种方案分别加以介绍。(1)“高一低一高”方案间接高压变频器，如图2.1所示【13】，即输入侧利用降压变压器把高压降为低压，中间环节仍采用低压等级变频器进行变频后，再利用升压变压器把低压升至高压，这种方法的优点是可以利用现有的低压变频技术来实现，因此价格低。缺点是存在中间低压环节，电流大且系统复杂，同时，多用了两台变压器，增加了成本和占地面积，损耗大，降低了系统的效率。图2.1 有输出变压器的高一低一高方案（2）“高一高”方案直接高压变频器为直接输出高压的变频器，直接给负载电动机供电，中间不经过其他电气设备，这就要求变频器有承受相当数值电压的能力【14】。这种方式省去输入、输出变压器等，减少了损耗，提高了设备效率，是高压变频器的发展方向。它的实现途径有两种【15】：1）器件串联方案无输出变压器的器件串联方案采用电力电子器件串联，组成交一直一交调速系统，以满足中高压的要求。一般采用GTO或SGCT串联构成的两电平电流源型逆变器，如图1-4所示。其仍为三相逆变桥结构，每相上下桥臂采用三个功率器件串联，实现较高的电压输出【16】。为了减少输入电压谐波，网侧采用18或24脉波多重化整流，中间直流回路采用大电感滤波。交流侧输出采用电容器滤波，使得输出电压电流波形都接近于正弦波。这种功率器件串联的两电平方案结构简单，使用的功率器件少。但是功率器件串联引起的动、静态均压问题需要解决，另外两电平输出的电压会对电机绝缘造成危害，要求提高电机的绝缘等级【17】。图2.2 GTO串联的中高压逆变器2)多电平方案所谓“多电平”始于三电平【18】，基本原理是将几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出。多电平结构目前主要有三种： 二极管嵌位型(Didoe-Clamped)多电平变频器【19】。三电平逆变器有时也称为中点嵌位(Neural-Point-Clamped简称NPC)三电平逆变器。图2.3 二极管嵌位型三电平变频器拓扑结构如图1-1所示，K1、K2、K3、K4为开关器件，D1、D2为二极管，C1、C2为电容，Ud为直流电压。其结构特点是利用二极管限制开关器件两端的电压，使低压器件可用于高压变换。 二极管嵌位型变频器的优点是输出电平数多，谐波含量少，开关器件工作频率低，开关损耗小效率高，系统连接简单。缺点是需要大量嵌位二极管并且设计困难，桥臂外侧开关器件的导通时间不一致，造成负荷不均衡，存在直流电容分压不平衡问题【20】。 电容嵌位型多电平变频器电容嵌位式亦称之为飞跨电容式【21】，最早是由T.A.Meynard和H.Foch在1992年的PESC会议上提出的。图2.3所示的单相飞跨电容三电平逆变器，C3为嵌位电容，直流分压电容C1=C2。图2.4 电容嵌位型三电平变频器拓扑结构这种电路采用跨接在开关器件之间的电容进行嵌位，飞跨电容三电平逆变器的优点是省去了大量的嵌位二极管，电压合成方式灵活，且对功率器件保护能力较强。缺点是电容体积大难以集成，系统控制复杂，开关频率高，损耗大，且存在直流分压电容电压不平衡的问题。 单元级联型变频器图2.5 单元级联型多电平变频器拓扑结构如图1-3所示K1、K2.为开关器件、Ud1、Ud2.为不同单元的直流电压【22】。其结构特点为整个系统的逆变侧由单相全桥逆变电路级联而成，每个单相全桥逆变电路由一个独立的直流源供电，无需嵌位二极管、电容。单相全桥逆变电路控制技术成熟，易于模块化且不存在电容电压平衡问题。其缺点是需要结构复杂的输入变压器。多电平结构用于中高压大功率场合，除了能解决元件耐压低的问题以外还有许多好处，如电压矢量多，波形控制效果好，甚至可以省去输出变压器，使得采用高一高直接变换方式实现高压变频调速装置成为可能。输出电压du/dt较小，对电机绝缘十分有利等，这种电路在高压变频和SVC等场合应用前景很好【23】【24】。这3种结构与普通两电平变频器相比具有以下优点【25】：更适合大容量、高电压场合。输出电压电平数多，理论上可使电压波形接近正弦波。谐波含量小电磁干扰(EMI)问题大大减轻、效率高。3、变频调速系统的控制策略随着电力电子技术和数字控制技术的发展，交流传动取代直流传动己成为不可逆转的趋势;由于交流电机非线性多变量强耦合的性质，许多通用的高性能控制策略相继提出，并在实际生产中得到应用，同时对控制策略的进一步研究仍在继续。对于异步电机交流传动系统，大致有以下的一些控制策略【26】【27】：（1）恒压频比控制V/f比控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式【28】，它在控制电机的电源频率变化的同时控制电机的电压，并使二者之比V/f为恒定(在低速时考虑定子阻抗压降补偿)，从而使电动机的磁通保持恒定。用V/f比控制方式既可实现转速开环控制也可实现转速闭环控制。（2）矢量控制技术1971 年由F Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。交流传动技术从理论上解决了交流调速系统在静、动态性能上与直流传动相媲美的问题。受直流电机的启发，其构想是，三相坐标系下的定子交流电流通过三相静止/二相旋转坐标变换【29】，把交流电机的定子电流分解称励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术获得了突破性的进展。其对于转矩的控制是连续平滑的，有较宽的调速范围。然而，转子磁链的准确观测是一个技术难题，系统特性受电机参数影响较大，在模拟直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换是比较复杂的【30】。（3）直接转矩控制1985年德国教授Depenbrock 首次提出异步电机直接转矩控制方法，接着1987年将其推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，它无需将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。它是在定子坐标系下，利用空间矢量的概念， 通过易于测量的定子电压电流和转速等，直接对磁链和转矩进行控制【31】。由于选用了定子磁链，因而避开了未知且时变的转子参数，故参数鲁棒性好。转矩与定子磁链调节器采用Bang-Bang 控制，可以获得快速的动态响应，但同时带来了转矩脉动、调速范围受限的缺点，低速时调速性能明显下降。其中，六边形磁链控制方案，转矩脉动、噪声都比较大，但有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域;近似圆磁链的控制方案，则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小，侧重于中小功率高性能调速领域【32】。（4）现代控制理论随着计算机技术的发展，各种微型计算机越来越多地应用到交流调速系统中，交流调速系统实现了全数字化，控制更加灵活，各种现代控制理论得以广泛应用，如最优控制，模糊控制，模型参考自适应控制，非线性解祸控制，神经网络控制等【33】，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速的发展，使得交流调速系统的性能更加优秀，功能更加完善。高压变频调速在主电路拓扑上目前尚无统一结构，因此在控制策略上也各有不同。对于三电平的拓扑结构，由于和通用变频器比较接近，在控制策略上也多采用相对成熟的矢量控制和直接转矩控制【34】；对于单元串联的拓扑结构，由于和通用变频器的结构差异较大，因此，目前单元串联高压变频器多采用相对简单的恒压频比控制【35】。在PWM波形的生成上，单元串联高压变频器可以利用单元串联(多重化)的特点，使用移相PWM调制方式【37】【38】，提高等效开关频率，改善输出波形。4、单元级联型高压变频器系统构成4.1单元级联型高压变频器系统的基本构成图4.1所示为一个单元级联型高压变频器系统的组成结构。该系统主要由输入变压器部分、功率单元部分、检测保护部分以及主控制部分组成【39】。图4.1 单元级联型高压变频器系统结构框图4.2单元级联型高压变频器的基本原理单元级联型高压变频器是将输入高压交流电经过一个隔离变压器变换成为一系列的低压交流电后，再经过交一直一交低压变频后，各功率单元输出交流电在逆变侧串联叠加成为高压交流电输出【40】【41】。每个功率单元分别由隔离变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，对地有很高的耐压。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【42】。变压器二次侧绕组数通常由变频器功率单元数目决定，而变频器功率单元数目通常又由电网电压、功率器件耐压水平及电动机容量决定。通常功率单元串联级数越多，输出的电压波形越接近正弦波，输出的电流谐波含量会越小【43】【44】。图4.2为单元级联型高压变频器的主电路结构【45】，图中功率单元级数为6级。三相高压交流电接到输入隔离变压器一次侧，变压器的二次侧分为18个低压的交流电压输出，各路输出又各自经过各功率单元的整流和滤波成为中间直流信号，再加到各功率单元的逆变桥。整个电路由A、B、C三相组成，每一相由功能结构相同的6个功率单元的两个输出端顺次相连，串联叠加后可得到一个接近正弦的相电压多阶梯波【46】。图4.2 单元级联型高压变频器主电路结构功率单元原理图如图4.3所示【47】。低压交流电经三相桥式不控整流电路后成为低压脉动的直流电，再经电容器组滤波为直流电压送到单相桥式逆变电路中，该逆变电路由4只IGBT组成，构成H桥结构。适当控制四只IGBT开关次序，即可在每个单元的输出得到0V、士Ud（Ud为一个功率单元直流电压幅值）共3个电压电平。将变频器输出每一相的6个功率单元依次串联，如图4.3所示，功率单元A1的输出A1R连到功率单元A2的输出A2L，功率单元A2的输出A2R与A3单元的输出A3L连接，依次类推，功率单元A5的输出A5R与A6单元的输出A6L连接，B、C相同理，最后将A1、B1、C1三个单元的输出A1L、B1L、C1L连在一起作为变频器的中点，将A6、B6、C6三个单元的输出A6R、B6R、C6R与电机连接【48】。图4.3 功率单元原理及串联示意图图4.4 电压叠加原理图图4.4为采用功率单元串联形成三相高压输出的组合示意图【49】，单元级联型多电平高压变频器采用若干个独立的低压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，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出的波形好，实现完美无谐波的变频，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du/dt、共模电压等问题【50】【51】。5、研究内容高压变频调速因其良好的调速性能和巨大的节能作用成为国内外交流传动领域的研究热点，而多电平拓扑的逆变器以其自身的多种优点已经成为高压变频器主电路的首选方案。本课题准备以单元级联型高压变频器作为研究内容，具体工作如下：（1）单元级联型高压变频器系统结构设计研究单元级联型高压变频器的主电路结构和工作原理，对其电路分析，了解其工作的基本特性。（2）单元级联型高压变频器PWM控制技术研究采用载波相移SPWM技术作为单元级联型高压变频系统的控制方法，并对其进行深入的研究分析。（3）单元级联型高压变频器瞬时停电再启动技术研究对目前高压变频器的瞬时停电再起动方法进行比较研究，针对高压大功率变频器的特点，研究实现瞬时停电再启动功能的方法。（4）单元级联型高压变频器功率单元旁路技术研究分析研究当高压变频器功率单元出现故障时的旁路控制方法。（5）单元级联型高压变频器系统的建模仿真（6）单元级联型高压变频器的故障分析6、日程安排2011.092011.10 搜集资料，分析单元级联型高压变频器系统结构特性。2011.112011.12 搜集资料，建立初步的数学模型。2012.012012.03 完成高压变频器系统的仿真分析。2012.042012.05 进行优化设计，并完成论文初稿。2012.052012.06 完成论文终稿。参考文献：1 徐甫荣，陈辉明. 高压变频调速技术应用现状与发展趋势，变频器世界，2007.4.2 贾贵玺，张臣堂. 高压变频调速技术在发电厂节能方面的研究与应用，电力系统自动化，2002，26 (14)，pp.63-663 马小亮. 大功率风机、泵节能调速发展方向探讨，电气传动，1999，23 (l)，pp.3-64 胡静. 大功率变频调速系统，电气时代，2002年第12期，pp.46-475 费万民，姚文熙，吕征宇. 中高压变频调速技术综述，电力电子技术，2002，36 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