大容量多电平变换器发展概述

高压变频技术

主讲人：边春元2011年8月内容介绍高压变频器对电网的影响三电平PWM电压源变频器原理三电平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高压变频器对电动机的影响三电平PWM逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述IGCT系统现存问题初步探讨功率器件概述二、大容量多电平变换器发展概述1、大容量变换器分类和特点

大容量指功率等级在数百千瓦以上，而高电压指电压等级为3kv、6kv、10kv或更高。实现大容量变换的途径有高压或/和大电流，其中以高压大容量最为典型；又由于电机调速在工业应用中最广泛，所以高压大容量交流电机变频调速技术在大容量换流应用技术中最具代表性。

根据有无中间直流环节，交流变频器可分为交-交变频和交-直-交变频两种形式。交-直-交变频存在着中间直流储能环节，根据所用储能元件性质的不同，交-直-交变换器还可分为电流型和电压型两种。对于高压变换器来说，从高压构成的角度，又可有“高-高”和“高-低-高”方式两种划分。不同划分经适当组合就得到各种类型的高压大容量变换器。

二、大容量多电平变换器发展概述（续）二、大容量多电平变换器发展概述（续）

传统大功率变换电路

1）普通三相逆变器（两电平逆变器）

拓扑结构简单，依靠器件串并联，存在开关器件静态均压、动态均压、均流等问题。电压波动大，谐波大。

2）降压——普通变频——升压电路

两侧需大型变压器，体积大，成本高，变频部分采用交-直-交结构，输出变压器体积大。3）变压器耦合的多脉冲逆变器并联逆变桥来获得大电流。典型的48脉冲逆变器包括8个6脉冲逆变桥和8个曲折变压器，通过改变匝数比或联接方式耦合叠加出阶梯波，以减少谐波。成本大，损耗大，占用空间大，瞬态过程中变压器磁饱和引起直流磁化和浪涌过电压问题。6脉冲方式工作，使系统动态响应性能较差。二、大容量多电平变换器发展概述（续）4）交-交变频电路

可省去中间直流环节，体积小，重量轻，一次功率变换控制效率高。但是，输出频率低，最高输出频率一般为输入频率的1/3~1/2，而且控制复杂，通常仅用于低频场合。

大容量交-交变频调速系统传统三相交-交变频电路优点：

由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成。采用电网自然换流，只需一次换流就实现了变频，环流效率高，方便四象限运行，而且低频时输出波形接近正弦。二、大容量多电平变换器发展概述（续）缺点：

（1）晶闸管较多，接线复杂；（2）输出频率范围窄，只能为1/3~1/2的电网频率；

（3）采用相控整流，功率因数低。

传统的交-交变频主要用于大容量低速重载调速场合，如轧机主传动装置。由于晶闸管与GTO相比价格便宜很多，且器件单管容量可以很大，换流损耗小，该项技术已经非常成熟，所以自20世纪80年代以来，这种变频器应用得还是很多。针对交-交变频功率因数低，谐波污染较严重等缺点，人们提出了多种改进措施。在主回路的改进上，可以采取滤波或多重化等办法；在控制方法上，又提出了动态无功控制等方案。但是会增加系统的复杂性和成本。矩阵式三相交-交变频电路矩阵式交-交变频器能方便地实现N相输入-M相输出；按输入输出电源性质，可有电压源输入-电流源输出和电流源输入-电压源输出两种形式。二、大容量多电平变换器发展概述（续）二、大容量多电平变换器发展概述（续）优点：

（1）换流效率非常高，损耗主要是器件开关损耗；

（2）能实现四象限运行和任意功率因数，所需滤波元件容量小，系统动态响应快；

（3）控制特性好，可对输出电压和频率及输入电流和相位分别控制，且双边谐波含量少。缺点：

要求较高频率的大容量双向开关（数千至数十千赫），控制对象复杂，且电压利用率较低。发展：

随着高压大容量IGBT、IGCT研制的成功，通过图中（b）~（d）所示器件的组合也可以实现双向开关，从而使高性能、高效的电力变换成为可能。二、大容量多电平变换器发展概述（续）高压大容量交-直-交变换器由于传统交-交变频器的固有缺点难以克服，矩阵式交-交变频器发展的又不够成熟，因而交-直-交变换器必将在今后较长一段时期内继续在市场占据主导地位。高低高型交-直-交变换器输入为降压变压器，输出为升压变压器，中间为低压变压器。当系统容量较大时，中间低压环节电流过大，需要解决多个器件并联的均流问题，使可靠性下降；变压器因谐波而发热，效率降低；低频时输出变压器能量传输困难，不适合低频重载场合。通过变压器多重化可以解决其谐波问题和扩大容量，但是增加了成本，因而这种变换方式不适合向更大容量方向发展。二、大容量多电平变换器发展概述（续）直接高压型交-直-交变换器近年来，高开关频率、低损耗、高压大电流IGBT和IGCT的异军突起使直接高压型变换器成为可能。直接高压电流型变换器在中大容量的调速场合应用很广。二、大容量多电平变换器发展概述（续）优点：

（1）存在直流电感，整流侧和逆变侧的短路保护较容易，可靠性高；

（2）采用相控整流，电流相位可调，可进行能量回馈和四象限运行；

（3）输出滤波电容使输出电压dv/dt很小，传输电缆可以较长；

（4）不考虑共模电压，电机绕组的电压应力小，无须降额运行。缺点：

由于开关器件SCR、GTO开关频率低，存在：（1）相控整流的谐波污染和功率因数低下对电网构成威胁；

（2）没有输出滤波电容时，输出谐波含量高，低频转矩脉动大，启动转矩小；

（3）系统动态响应慢；

（4）输出频率范围窄；（5）没有输入隔离变压器时，逆变器输出的共模电压大，甚至破坏电机绕组对地的绝缘。二、大容量多电平变换器发展概述（续）发展：

由于高压大容量IGBT、IGCT的实用化，电流型变换器正在向直流母线电流可调（动态响应好）、整流逆变均进行脉宽调制（谐波含量低）的方向发展。由于其本身所固有的短路保护的特性，这种变换器应该具有很好的发展前景，虽然控制比电压型变换器要复杂一些，但是随着高速处理芯片的推出，控制上复杂性都不成问题。直接高压电压型变换器由于控制上的相对简单和良好的调速性能，电压型变换器在中小容量应用领域占绝对优势。依靠GTO、IGBT等器件的串并联可实现两电平直接高压大功率逆变电路，电路结构简单，但串并联将带来开关器件的静态、动态的均压和均流等一系列问题。技术上的不确定因素影响大，可靠性不高，且由于输出只有两个电平，dv/dt大，谐波含量高，电磁干扰问题严重，因而在大功率换流中应用不多。二、大容量多电平变换器发展概述（续）共模电压问题：

共模电压是指电机中点对地电压偏移。高的共模电压会危及电机绕组对外壳的绝缘。如图所示，设电机中点与电网接地点分别为n，N，则电机共模电压为VnN。其表达式推导如下：二、大容量多电平变换器发展概述（续）电机相电压为：由电机输入电压三相对称，有：可得：又因：故：二、大容量多电平变换器发展概述（续）其中，ZnN为电机绕组中点对地阻抗。由以上可得：共模电压最大值为直流母线对地电压峰值（即线电压峰值），最小值为直流母线对地电压最小值（即相电压最小值）。对电压型逆变器来说，输出电压电平越少，共模电压幅值越高。电机绕组中点对地漏电流为：二、大容量多电平变换器发展概述（续）新型多电平电压型变换器在传统电路中，输出为单一的直流源，只能对一个恒定幅值的直流电压进行脉宽调制，输出为幅值恒定的PWM波。若设直流源电压为Vdc，以低电压节点为零电位点，经过电力电子变换电路之后，得到的输出PWM脉冲波只有两种电平0和Vdc，称之为两电平电路。

两电平直接高压逆变器存在很高的dv/dt和共模电压，威胁电机绕组绝缘；为了解决串联器件同时导通和关断的问题，发展了多电平变换器。多电平电路：

如果多个直流源和电力电子器件经过特定的拓扑变换，并且控制不同的直流源串联输出，则在变换电路的不同开关状态下，就可以在输出端得到不同幅值的多种电平的输出。事实上这是通过多个直流电源之间的不同组合得出的，采用这种原理的变换电路称作多电平（Multi-level）电路，用这种方法实现的变换器就是多电平变换器。二、大容量多电平变换器发展概述（续）日本长冈科技大学的南波江章（A.Nabae）等人于1980年在IEEE工业应用年会上提出三电平中点箝位式结构以来，多电平逆变器的拓扑结构主要发展出以下三种电路：

1）二极管箝位式（Diodeclampedtopology）

2）电容箝位式（Capacitorclampedtopology）

3）直流电源隔离的单元逆变桥串联式（cascadedtopology）多电平结构更适合高压大容量场合，输出电压可更接近正弦波，谐波含量小；dv/dt小，电磁干扰问题大大减轻；效率高。消除同样谐波：两电平采用PWM控制，开关频率高、损耗大；多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小、效率高。

二、大容量多电平变换器发展概述（续）二极管中点箝位的多电平逆变器二、大容量多电平变换器发展概述（续）特点：

采用多个二极管对相应开关元件进行箝位，以保证每次一个桥臂只有一个开关动作，并实现多电平输出，而每个开关器件只承受1/2的直流母线电压。缺点：当电平数较多时，箝位二极管将承受不同反压，开关元件所需额定电流不同，还有电容电压的平衡问题。电容箝位的多电平逆变器工作原理与二极管箝位电路相似。电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活性；大量的电容使体积庞大、占地多、成本高、封装不易。通过同一电平上不同开关状态的组合，能使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统，但控制较复杂。二、大容量多电平变换器发展概述（续）二、大容量多电平变换器发展概述（续）直流电源隔离的单元逆变桥串联式多电平逆变器二、大容量多电平变换器发展概述（续）优点：

1）不存在电压均衡问题；

2）无需箝位二极管或电容，适于调速控制；

3）模块化程度好，维修方便；

4）对相同电平数而言，所需器件数目最少；

5）可实现更多电平，上高电压，实现更低谐波；

6）控制方法简单，可分别对每一级进行PWM控制，然后进行波形重组。缺点：需要很多隔离的直流电源，应用受到限制。综上所述，二极管和电容箝位式多电平逆变器由于电容均压问题，比较适合应用于无功调节，而在有功传递，如电机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。二、大容量多电平变换器发展概述（续）三电平NPC（NeutralPoint-Clamped）电路：虽存在均压问题，但在大容量交流电机调速领域还是应用得很多。原因：高耐压器件很适合三电平NPC电路，电容电压的均衡问题可通过控制解决。这种拓扑与交流电机的矢量控制理论和直接转矩控制理论结合起来时，就使大容量交流电机调速系统的性能和可靠性得到很大提高。采用四象限整流并与现代电机控制理论结合，高性能四象限大容量交流电机变频调速在交流传动领域的应用将成为可能。多电平变换器的特点：（1）输出电平数增加，输出波形阶梯增多，更加接近目标调制波（一般为正弦波）；

（2）降低了输出电压的跳变；二、大容量多电平变换器发展概述（续）（3）输出电压谐波含量减少；

（4）阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。三电平变换器的相电压输出波形二、大容量多电平变换器发展概述（续）五电平电路的典型输出线电压波形二、大容量多电平变换器发展概述（续）多电平电路波形质量较优，在同样的开关频率下，多电平电路输出的谐波分量低于两电平电路的输出，反之，达到类似的输出波形质量，多电平电路的开关频率可以很低。多电平电路还具有dv/dt较小，共模电压较小的优点。

直接高压型变换器将是大容量功率变换器的发展方向。其中采用IGBT或IGCT的直接高压电流型变换器与三电平NPC电路、单元逆变桥串联式多电平变换器各具特色，将共同主导今后的大容量功率换流市场。2、新型多电平变换器的分类及模型采用新型可控器件，实现高压大容量的途径有：

1）通过多电平逆变器实现高压；

2）通过器件的并联实现大电流；

3）采用多相电机。二、大容量多电平变换器发展概述（续）电压型多电平DC-AC变换器箝位型拓扑级联型拓扑二极管箝位型电容箝位型混合箝位型通用箝位型……H桥串联型开绕组双端供电型三相逆变器串联式型多电平变换器的分类二、大容量多电平变换器发展概述（续）多电平变换器的基本模型根据直流电压源的性质和串联方式不同，可将多电平变换电路分为：1）若干直流电压源直接串联通过开关输出；

2）独立直流电压源通过开关串联输出。若干直流电压源直接串联通过开关输出的多电平变换电路二、大容量多电平变换器发展概述（续）独立直流电压源通过开关串联输出的多电平电路3、多电平变换器的应用二、大容量多电平变换器发展概述（续）高压大容量多电平变换调速装置的国内外生产厂商及其产品型号和容量变换器类型开关器件功率范围制造厂家两电平逆变器（VSI）IGBT并联1.4~7.2MVA阿尔斯通（VDM5000）IGBT串联1~7MVA成都佳灵公司电容箝位（VSI）IGBT0.3~8MVA阿尔斯通（VDM6000Symphony）三电平二极管箝位逆变器（NPCVSI）IGCT0.3~5MVA3~7MVAABB（ACS1000）（ACS6000）IGCT3~20MVAGE（InnovationSeriesMV-SP）IGBT0.6~9MVA西门子（SIMVERT-MV）IGBT0.4~4.5MVAGE-东芝（Dura-Bilt5MV）GTO2.5~18MVA东芝（Tosvert-μ/S650）IGBT35~500kVA山东风光电子公司IGBT100~750kVA天津华云公司H-桥级联式逆变器（VSI）IGBT0.3~22MVARobicon(PerfectHarmony)0.5~6MVA东芝（Tosvert-MV）0.45~7.5MVAGE(InnovationMV-GPTypeH)0.2~3.5MVA北京利德华福公司0.4~1.5MVA东方凯奇公司制造厂家应用单位应用场合三菱公司宝钢1580热连轧机鞍钢1780热连轧机唐钢薄板坯连铸连轧上海不锈钢热连轧机GE公司本钢1700热连轧机西门子公司邯钢冷连轧机ABB公司上海浦东可逆冷轧机ANSALDO公司新余钢厂高速线材轧机新疆高线精轧机日立公司宝钢2MW，冷连轧机阿尔斯通太钢,张家港4MW，冷轧机东芝-GE涟源薄板坯连铸连轧机本钢热连轧机西南铝热连轧机国内轧机用交-直-交三电平变频器一览表二、大容量多电平变换器发展概述（续）ThankYou!9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2月-252月-25Monday,February10,202510、人的志向通常和他们的能力成正比例。20:34:0320:34:0320: