高压变频器-孙力

1、 中中( (高高) )压大功率交流变频调速技术压大功率交流变频调速技术 -国内外发展现状与趋势主要内容 高压变频的应用领域 采用高压变频的重要意义 技术现状 国内外厂商概况与发展趋势 哈工大与九洲公司合作的情况高压大功率变频器应用领域高压大功率变频器应用领域 水处理石油化工 发电厂钢铁,造纸列车船舶FACTS应用意义应用意义: :巨大的节能潜力巨大的节能潜力优异的控制性能优异的控制性能 高压电动机采用变频调速后节能效果约为高压电动机采用变频调速后节能效果约为(20%-70%),(20%-70%),以平均节电以平均节电2020计算，对全国来说年节电计算，对全国来说年节电500500亿度，可以相应

2、减少亿度，可以相应减少20002000万吨发电用煤，万吨发电用煤，5050万吨二氧化硫和万吨二氧化硫和12001200万吨二氧化碳的排放。万吨二氧化碳的排放。 提高产品质量与运行特性提高产品质量与运行特性, ,减低设备故障率减低设备故障率, ,提高设备使用寿命提高设备使用寿命电力半导体器件的发展电力半导体器件的发展 电力半导体器件的容量与频率特性电力半导体器件的容量与频率特性高压变频器的种类交交-交变频调速交变频调速交交-直直-交变频调速交变频调速传统交传统交-交变频调速交变频调速新型交新型交-交变频调速交变频调速传统的交传统的交- -交变频调速交变频调速u优点优点: :结构简单可靠结构简单可

3、靠, ,功率等级大功率等级大 u缺点缺点: :不能实现宽范围的连续调频控制不能实现宽范围的连续调频控制, ,功率因数低功率因数低, ,转矩转矩脉动大，谐波分量造成的铁损较大脉动大，谐波分量造成的铁损较大 0新型交新型交- -交变频调速交变频调速 u优点优点: :具有较强的可控性，输出频率不受输入频率的限制，具有较强的可控性，输出频率不受输入频率的限制， 输出波形比较理想，波形失真小，功率因数不受负载限制输出波形比较理想，波形失真小，功率因数不受负载限制u缺点缺点: :控制方法复杂，实现比较困难控制方法复杂，实现比较困难 交交- -直直- -交变频调速交变频调速 高高-低低-高电压源型高电压源型

4、直接器件串联两电平型直接器件串联两电平型 电流源型电流源型新型多电平电压源型新型多电平电压源型高高- -低低- -高电压源型高电压源型 低压变频器降压变压器升压变压器是由低压变频向高压变频发展的过度方式是由低压变频向高压变频发展的过度方式, ,实质还是低压变频实质还是低压变频 存在中间低压环节存在中间低压环节, ,电流大电流大, ,结构复杂结构复杂, ,效率低效率低, ,长期运行费用长期运行费用相对比较高相对比较高, ,随着新型大功率电力开关器件的出现随着新型大功率电力开关器件的出现, ,有被淘汰有被淘汰的趋势的趋势M直接器件串联两电平型直接器件串联两电平型(SC2L)(SC2L)u优点优点l

5、结构简单可靠结构简单可靠, ,功率等级大功率等级大 l使用的功率器件少使用的功率器件少 u缺点缺点l串联的各器件间存在较大的电压串联的各器件间存在较大的电压 l器件开关时易产生较大的器件开关时易产生较大的dudu/ /dtdt l输入输入, ,输出谐波大输出谐波大, ,需要抑制需要抑制电流源型电流源型u优点优点: :u缺点缺点: :l动态响应快，便于实现再生制动和四动态响应快，便于实现再生制动和四象限运行象限运行l限流能力强，短路保护可靠性高，能限流能力强，短路保护可靠性高，能在宽范围内精确控制转矩和速度等在宽范围内精确控制转矩和速度等输入需要滤波器，低频运行特性较差，输入需要滤波器，低频运行

6、特性较差，功率因数低，转矩响应慢，难以冗余功率因数低，转矩响应慢，难以冗余新型多电平电压源型新型多电平电压源型 三电平中点钳位型三电平中点钳位型 飞跨电容型飞跨电容型 单元串联多电平型单元串联多电平型 改进的单元串联多电平型改进的单元串联多电平型三电平中点钳位型三电平中点钳位型(3LNPC)(3LNPC)u优点优点: :l 三电平技术成熟可靠三电平技术成熟可靠, ,功率器件少功率器件少l 功率因数高功率因数高, ,响应速度快响应速度快l 与两电平相比与两电平相比, ,dudu/ /dtdt大大降低大大降低, ,输输 出波形质量好出波形质量好, ,谐波少谐波少u缺点缺点: :l PWM PWM控

7、制策略比两电平复杂控制策略比两电平复杂l 需要大量的钳位二极管需要大量的钳位二极管l 需要对直流中点进行电压平衡控制需要对直流中点进行电压平衡控制l 输出电压总谐波较高输出电压总谐波较高, ,需要滤波器需要滤波器飞跨电容型飞跨电容型u缺点缺点: :单元串联多电平型单元串联多电平型( (电压胞型电压胞型) )输输出相出相电压电压单元串联多电平型单元串联多电平型( (电压胞型电压胞型) )的特点的特点l 优点：优点： 串联型结构电平数可较多，适合更高电压，谐波含量更少串联型结构电平数可较多，适合更高电压，谐波含量更少; ; 对相同电平对相同电平数数, , 串联型结构所需器件数目串联型结构所需器件数

8、目较较少；少； 由于每一级逆变桥构造相同由于每一级逆变桥构造相同, , 给模块化设计和制造带来方便给模块化设计和制造带来方便, , 且装配简且装配简单单, , 系统可靠性高；系统可靠性高； 某一级逆变桥出现故障时某一级逆变桥出现故障时, , 就被旁路掉就被旁路掉, , 剩余模块可不间断供电剩余模块可不间断供电, , 以尽量以尽量减少生产损失减少生产损失； 直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题；直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题； 控制方法相对简单。因每一级结构的相同性控制方法相对简单。因每一级结构的相同性, , 可分别对每一级进行可分别对每一级进行

9、PWMPWM控制控制, , 然后进行波形重组。然后进行波形重组。l 缺点：缺点： 需要需要输入输入变压器变压器 因每个因每个H H桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，因此需要用较大容量的直流电容因此需要用较大容量的直流电容 电路复杂，功率元件多电路复杂，功率元件多改进的单元串联多电平型改进的单元串联多电平型u 原理原理当独立的直流电源的电压值相等，取当独立的直流电源的电压值相等，取E E时，由时，由mm个单相全桥逆变单元组成的单个单相全桥逆变单元组成的单相级联型多电平电路，输出的电平数为相级联型多电平电路，输出的电平数为2

10、m+12m+1。若将级联多电平变换器中各独。若将级联多电平变换器中各独立的直流电源的电压值分别取立的直流电源的电压值分别取E. 2E, E. 2E, 4E.2mE4E.2mE，则其输出的电平数大幅度，则其输出的电平数大幅度地增加到地增加到2m+2-12m+2-1，这就是混合级联多，这就是混合级联多电平变换器的思想，从更严格的意义卜电平变换器的思想，从更严格的意义卜讲，混合级联多电平转换器不是一种电讲，混合级联多电平转换器不是一种电路拓扑结构，说是一种构成策略更为合路拓扑结构，说是一种构成策略更为合适。适。u特点：特点： 可以在不增加功率元件数目的情况下，可以在不增加功率元件数目的情况下，提高输

11、出电平数和输出波形的质量提高输出电平数和输出波形的质量。 控制技术发展现状控制技术发展现状 恒定控制恒定控制 转差率控制转差率控制 矢量控制矢量控制 直接转矩控制直接转矩控制国内外厂商概况国内外厂商概况国外最具代表性的公司和技术有国外最具代表性的公司和技术有：公司的三电平方式；公司的三电平方式；公司的单元串联多电平方式；公司的单元串联多电平方式；（）公司的电流型和电流型；（）公司的电流型和电流型；公司的三电平方式；公司的三电平方式；除此之外，通用电气，三菱，东芝，富士和日立等公司也有类似产除此之外，通用电气，三菱，东芝，富士和日立等公司也有类似产品推出品推出在控制方式上，国外公司已经普遍采用先

12、进的矢量控制方式和直接转矩控制方式在控制方式上，国外公司已经普遍采用先进的矢量控制方式和直接转矩控制方式在高端领域应用上，占有绝对性的优势在高端领域应用上，占有绝对性的优势国内外厂商概况国内外厂商概况1. ABB(ACS1000)2. SIEMENS(SIMOVERT-MV)国内外厂商概况国内外厂商概况国内外厂商概况国内外厂商概况3. GE-TOSHIBA(DURA-BUILT5)4. AB(POWER FLUX-7000)国内外厂商概况国内外厂商概况l国内生产厂家概况：国内生产厂家概况： 民营公司民营公司19981998年开始涉足电力电子和高压变频领域年开始涉足电力电子和高压变频领域, ,

13、主要进行采用主要进行采用IGBTIGBT的的H H桥桥串联型中压变频器的研制。串联型中压变频器的研制。 l以九洲为例，其产品形成一定规模以九洲为例，其产品形成一定规模主要特点主要特点: : 控制比较简单控制比较简单, ,开环压频比控制开环压频比控制 成本控制较好成本控制较好, ,价格较低价格较低 操作界面较好操作界面较好, ,中文操作中文操作, ,远程操作远程操作 可实现闭环等功能可实现闭环等功能国内外厂商概况国内外厂商概况l冶金自动化研究院、天传所、天水所冶金自动化研究院、天传所、天水所 专业国家研究院所，从八十年代就开始开发低压和高压变频器，有用于轧专业国家研究院所，从八十年代就开始开发低

14、压和高压变频器，有用于轧钢机的高性能晶闸管交交变频产品，有绕线电机交交变频双馈调速产品，有晶钢机的高性能晶闸管交交变频产品，有绕线电机交交变频双馈调速产品，有晶闸管交直交电流型产品，有电流型高低高变频产品，有电流型直接高压变频产闸管交直交电流型产品，有电流型高低高变频产品，有电流型直接高压变频产品，目前也在进行采用品，目前也在进行采用IGBTIGBT的的 H H桥高压变频器的研制，和采用桥高压变频器的研制，和采用IGCTIGCT的二极管的二极管钳位式三电平变频器的研制。钳位式三电平变频器的研制。l凯奇、先行、天崇凯奇、先行、天崇是国内最早采用带分离直流电源的串联型高压变频技术，从是国内最早采用

15、带分离直流电源的串联型高压变频技术，从9595年起开始研年起开始研制采用制采用IGBTIGBT的的 H H桥高压变频器样机，并生产和销售了十多套桥高压变频器样机，并生产和销售了十多套00500kW00500kW变变频器但由于种种原因，目前已不生产。频器但由于种种原因，目前已不生产。高压变频技术的发展趋势高压变频技术的发展趋势u新型的主电路拓扑新型的主电路拓扑u高压，大电流功率器技术的发展高压，大电流功率器技术的发展u控制策略和控制方法方面的进展控制策略和控制方法方面的进展u电压，电流的检测与检测信号的传输电压，电流的检测与检测信号的传输哈工大与九洲公司合作的哈工大与九洲公司合作的情况介绍情况介绍 v 新型高效的合作模式新型高效的合作模式 双方采用共同研究开发的模式，双方的研发人员紧密合双方采用共同研究开发的模式，双方的研发人员紧密合作，不同于以往高校承担研发项目后独立进行研究的传作，不同于以往高校承担研发项目后独立进行研究的传统模式。统模式。新型合作模式的优势新型合作模式的优势 更有利于充分发挥哈