多電平高壓變頻器是我們國(guó)家近年來在電力電子領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)，它作為一種應(yīng)用于高壓大功率變換場(chǎng)合的新型變頻裝置,，將可以很有效的應(yīng)用在那些高壓風(fēng)機(jī),、水泵、壓縮機(jī)的節(jié)能改造中,，同時(shí)也可以大量的采用在工藝和設(shè)備要求的電壓等級(jí)較高和容量較大的交流調(diào)速的環(huán)境中,。其主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是本文探討與剖析的主題，本文以歐洲的阿爾斯通電氣公司在我國(guó)的寶新不銹鋼廠和太鋼應(yīng)用在軋機(jī)主傳動(dòng)上的交流,、高壓,、多電平的變頻器為例進(jìn)行了剖析,。


1、引言

交流電機(jī)變頻調(diào)速已經(jīng)是當(dāng)前各行各業(yè)都普遍關(guān)注的重大項(xiàng)目,。人們期待用高效率,、高可靠而又經(jīng)濟(jì)可接受的變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速已達(dá)上百年的歷史了。在20世紀(jì)60年代后半期,，電力半導(dǎo)體器件及其在變頻器應(yīng)用中的進(jìn)步,，成就了發(fā)達(dá)國(guó)家在70年代初的第一次世界能源危機(jī)期間用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能事業(yè)的大發(fā)展。對(duì)于交流電動(dòng)機(jī),，改變頻率即能調(diào)速,。隨著可控硅、GTO,、IGCT和IGBT等電力電子元器件的開發(fā),，相應(yīng)的控制技術(shù)的發(fā)展和這些電力電子器件的高度集成化，使得變頻器在工業(yè)中得到了更廣泛的應(yīng)用,。受限于電力電子元器件的開發(fā)與應(yīng)用,，在過去的十幾年中還基本上是以低壓變頻調(diào)速裝置為主，即：電壓為380V～690V,，工業(yè)中大量應(yīng)用的大容量的高電壓的交流電動(dòng)機(jī)還僅僅采用其他的調(diào)速方式或不調(diào)速的形式運(yùn)行在工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中,，從而消耗了大量的能源。

根據(jù)目前各主要變頻器的制造廠家的不同研制和開發(fā),，現(xiàn)有的高壓變頻器的組成方式也不盡相同,。根據(jù)電壓的不同，可分為直接高壓型和通過升壓變壓器的高-低-高型（實(shí)際為低壓變頻器）,；根據(jù)中間的耦合形式,，分為交-交型的變頻器和交-直-交型的變頻器；而根據(jù)中間直流偶合環(huán)節(jié)組合的不同又分為電壓源型的變頻器和電流源型的變頻器,。我們知道低電壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都為統(tǒng)一形式的二電平結(jié)構(gòu)方式,。而由于電力電子元器件的耐壓受到限制，不同的電力電子元器件的開關(guān)頻率的不同,，使得近年來開發(fā)出來的高電壓,、大容量的變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式也是各有千秋。但考慮到整個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單,、可靠和經(jīng)濟(jì),，目前應(yīng)用的高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還主要集中在三電平和四電平的形式上。

近兩年來我國(guó)在工業(yè)新上項(xiàng)目中先后從歐洲的阿爾斯通電氣公司引進(jìn)了幾套四電平電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的高壓變頻器,，它們先后應(yīng)用在我國(guó)的太原鋼鐵公司,、寶新不銹鋼廠（隸屬于寶鋼）、青島鋼鐵有限公司和天津無縫鋼鐵總公司,。其傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是當(dāng)今傳動(dòng)控制中最為先進(jìn)的ALSTOM公司的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、IGBT元器件的交流高壓變頻調(diào)速裝置,。此系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是，系統(tǒng)為交流高壓變頻調(diào)速裝置,；主回路采用的是四電平IGBT結(jié)構(gòu),；3臺(tái)4MW的交流同步主電機(jī)共用一條公用直流母線，達(dá)到了系統(tǒng)的高性能工藝調(diào)速要求,，同時(shí)系統(tǒng)方案又經(jīng)濟(jì),、可靠、節(jié)能和最優(yōu)化配置,。整流則采用的是當(dāng)今最為先進(jìn)的稱之為清潔型能源變流器[1]。此類變頻器即可應(yīng)用在風(fēng)機(jī),、泵,、壓縮機(jī)類的主轉(zhuǎn)動(dòng)上，也可應(yīng)用在 工藝性能要求高的軋機(jī)生產(chǎn)上和大型船舶驅(qū)動(dòng)上,。

2,、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

近年來隨著電力電子元器件和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，GTO,、IGCT和IGBT的開發(fā)以及變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)形式上的發(fā)展,，使得高壓、大容量變頻器得以迅速應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中,。變頻傳動(dòng)裝置首先經(jīng)歷的是在原有的二電平控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上并串聯(lián)上多個(gè)元器件,，其二電平輸出波形見圖1（a）。元器件的并聯(lián)連接,，輸出電壓要滿足元器件承受電壓的要求,，這種連接方式所引起的問題與復(fù)雜的均流裝置相絞合在一起，電路的復(fù)雜程度常常易造成元器件的損壞,；對(duì)于串聯(lián)元器件的連接形式,，輸出電流同樣要滿足元器件的承受能力要求，要確保其分布在元器件上的電壓在任何情況下都要均衡,，故也容易常常發(fā)生系統(tǒng)的故障,。因此從系統(tǒng)的可靠性的角度來說，它們都很難保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,，同時(shí)輸出波形也很差,。

圖1 不同電平結(jié)構(gòu)圖和輸出波形圖

近年來在電力電子元器件發(fā)展的同時(shí)，變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在隨之得到開發(fā),，伴隨著電力電子元器件的耐壓和承受電流的限制,，變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)了三電平、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的形式,。對(duì)于三電平,、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的變頻器,，它提供給電動(dòng)機(jī)非常小的諧波電流且電流波形也更接近交流電動(dòng)機(jī)要求的正弦波電流波形，如圖1所示,。通過這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)我們可知隨著多電平的增加,，其電壓幅值在相應(yīng)的降低，這使功率元器件所承受的電壓降低,，更加有利于減少裝置產(chǎn)生的dv/dt,。當(dāng)前的大容量、高壓變頻器,，既要保證大功率的輸出,，又要確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，還要保證輸出波形更趨近于正弦波,。目前在高壓,、大容量的變頻器中常常采用的多電平的結(jié)構(gòu)和輸出波形如圖1所示。三電平的結(jié)構(gòu)方案在近年來的發(fā)展中既使用有GTO（以及最近的IGCT中）元器件,，也采用在IGBT的方案中（目前幾個(gè)著名的大公司如西門子,，ABB和阿爾斯通都有此類產(chǎn)品）。但它的不足是元器件的導(dǎo)通或阻斷是由箝位二極管來加以保證的,，箝位二極管的耐壓要求較高,，數(shù)量龐大；開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致,；在變流器進(jìn)行有功功率傳送時(shí),，直流側(cè)各電容的沖放電時(shí)間各不相同，容易造成電容電壓的不平衡,，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的難度,；同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展能力也很有限。

隨著現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展,，多電平的變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)方案得以在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用,。圖2就是最近我國(guó)從歐洲阿爾斯通公司引進(jìn)的應(yīng)用于軋機(jī)控制的高壓、大容量,、四電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,，從圖2中可以清楚地看到它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即模塊化的結(jié)構(gòu),。這種變頻器的特點(diǎn)是保證了元器件的串并聯(lián)連接,，同時(shí)它又不是元器件的簡(jiǎn)單的串并聯(lián)而是從結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)連接，它確保了電壓安全和自然分配,。其最為明顯的特點(diǎn)為：

目前我們知道在工業(yè)中采用的高壓標(biāo)準(zhǔn)為3.3kV,，4.2kV，5.5kV，6.6kV,，按照這些標(biāo)準(zhǔn),，通過整體的單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)去滿足不同等級(jí)的電壓要求；
由于這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，使當(dāng)今系統(tǒng)普遍采用的多臺(tái)變頻共用一條直流母線的方案非常容易實(shí)現(xiàn),，以達(dá)到在系統(tǒng)內(nèi)部的能量互相交換；
這種結(jié)構(gòu)取消了我們傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的在各級(jí)元器件上的眾多分壓分流保護(hù)裝置,，可以使電路的各個(gè)單元彼此相互隔離,，使得系統(tǒng)既簡(jiǎn)單，又可靠且易于維護(hù),。從而消除了串并列多個(gè)半導(dǎo)體元件所帶來的系統(tǒng)可靠性差的因素,；
由于此結(jié)構(gòu)采用的是IGBT元器件，它的開管頻率高,，觸發(fā)電流小,，且IGBT非常容易在市場(chǎng)找到，從而為我們的開發(fā)和應(yīng)用帶來了極大的選擇機(jī)會(huì),。

圖2 四電平結(jié)構(gòu)原理圖

從圖2可以看出，這種結(jié)構(gòu)的輸出波形非常接近于正弦波形,。大容量的交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)傳輸電纜以及電機(jī)和變壓器繞組的危害性最大,。而對(duì)于多電平結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正好在這方面是它的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該說電平級(jí)數(shù)越多其輸出波形越接近于正弦波,。

3,、四電平傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制原理

四電平控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對(duì)的方式構(gòu)成的,，而每一對(duì)都是基于傳統(tǒng)的二電平的控制思想去進(jìn)行控制的,。圖3表明了此四電平的運(yùn)行原理圖和各大功率元器件所承受的電壓以及各電容上分布的電壓。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出整個(gè)電路所承受的電壓為：V,，2/3V,，1/3 V，但在每一處于阻斷狀態(tài)的功率元器件的電壓總是1/3V,。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)圓滿解決了各功率元器件上所承受的電壓動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的問題,，同時(shí)不同的一對(duì)元器件的控制是在不同的時(shí)間段也限制了dv/dt的問題。實(shí)際上各元器件上所承受的浮動(dòng)電壓是由各電容來提供的,，電路在換相過程中對(duì)各電容進(jìn)行充放電,，其電容電壓遵守著如下的規(guī)則[2]：

這里的n為每一相共有幾對(duì)大功率元器件的個(gè)數(shù)，例如：四電平結(jié)構(gòu)的每相共有3對(duì)大功率元器件,，即在這里 n=3,。從電路結(jié)構(gòu)中我們知道在每一功率元器件通過的電壓取決于電容上的電壓Ck和Ck-1并由下式給出：

現(xiàn)在我們知道每一阻斷大功率元器件上所承受的電壓為V/n，并且導(dǎo)通的元器件的電壓為0。這就證明了圖（3）的四電平的輸出電壓波形,，即：0,，V/n，2·V/n,，V,。

平結(jié)構(gòu)的換相控制要同時(shí)滿足：
電容電壓要恒定，即

為了決定對(duì)每一對(duì)大功率元器件的控制類型,，我們假定其最初的電壓值Vck是由給出,，并研究保持這些電壓恒定的條件。

每一電容Ck都與功率元器件之間連接著,，并取決于這對(duì)元器件開關(guān)的狀態(tài),，在這個(gè)電容上的電流是+I，0,，-I,， 它能表達(dá)為：，這里的Sk和Sk+1是0或1（這將根據(jù)功率元器件開關(guān)的狀態(tài)）,。這個(gè)方程給出了下列電壓Vck k＝1…n的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件：

當(dāng)電流I在一開關(guān)段為積分恒定時(shí),，則對(duì)電壓Vck k＝1…n穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件可寫為：

圖3 四電平結(jié)構(gòu)運(yùn)行控制原理圖

我們知道對(duì)于這種四電平結(jié)構(gòu)所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調(diào)制技術(shù),。其控制回路采用了目前在工業(yè)系統(tǒng)中大量應(yīng)用的高性能控制器（工業(yè)用計(jì)算機(jī)）,，用它來分配系統(tǒng)的工作周期和發(fā)送控制周期，在一個(gè)控制周期分成幾個(gè)階段,，在每一階段嚴(yán)格按照導(dǎo)通和關(guān)斷的規(guī)律去控制IGBT功率元器件開關(guān)動(dòng)作,。從圖3中我們可以很直觀地看到各階段各開關(guān)元器件的導(dǎo)通，關(guān)斷的過程,。例如在A段：1#,，2#和3#的開關(guān)導(dǎo)通C1上充有正向電流；而在C段：2#,，1#和3#的開關(guān)導(dǎo)通,，而C1此時(shí)為放電狀態(tài)。不管怎樣我們的負(fù)載側(cè)在一個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)階段得到都是1/3V,。同時(shí)我們很直觀地看出在電容上的平均電流為0,，電容在這里起到分壓和使系統(tǒng)達(dá)到自然換相的目的。通過這種高速的分配控制,，系統(tǒng)可以避免多個(gè)串聯(lián)功率元器件在瞬間同時(shí)導(dǎo)通,，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。

圖4表明了在太鋼實(shí)際采用的2個(gè)IGBT和電容模塊化的結(jié)構(gòu)圖,。這種通過雙母排把IGBT和浮動(dòng)電容組合在一起,，最大化地減小了IGBT的開關(guān)電感，同時(shí)也使整個(gè)系統(tǒng)成為一整個(gè)抽屜式的結(jié)構(gòu)，其每一相僅有3個(gè)模塊組成,，非常易于維護(hù),。

圖4 兩個(gè)IGBT和電容的結(jié)構(gòu)圖

4、結(jié)束語(yǔ)

IGBT四電平結(jié)構(gòu)變頻控制器是當(dāng)今傳動(dòng)系統(tǒng)最新的前沿控制技術(shù),，此類變頻器第一套裝置應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中是1999年在歐洲的冶金系統(tǒng)的軋鋼卷取軋機(jī)上,，其動(dòng)態(tài)靜態(tài)性能和可靠性都顯示了當(dāng)今技術(shù)的水平，2002和2003年先后在太鋼和寶新投入運(yùn)行的裝置也取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益,。本文較詳細(xì)的分析了此變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電流分配的原理,。為選擇適合于高壓大容量場(chǎng)合多電平變頻器的技術(shù)方案的應(yīng)用提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙相賓, 劉國(guó)林. 變頻調(diào)速和軟起動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 自動(dòng)化博覽, 2000, 7（6） :1-4.
[2] T. A. Meynard and H. Foch. Multilevel conversion: High Voltage Choppers and Voltage Source Inverter[J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference June/July 1992.
[3] F.Z. Peng. A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self-voltage Banlanceing[J]. IA conference. 2000, vol.3, pp.2024-2031.
[4] M. Kitano, S.Fukuda. A PWM method for three phase series-connected hybrid inverter system[J]. IEEE of Japan IAS Conference, 2000, vol.2 pp.747-750.
[5] Depenbrock, M.Direct self control of inverter-fed induction machine[J]. Trans. Power Electr. 1988:420.
[6] Takahashi,I. Noguchi, T.A new quick-response and high efficiency control strategy of an induction motor[J]. IEEE Trans. Ind. Appl. 1986, p.820.
[7] 吳加林. IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器[A]. 首屆變頻器與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)[C]. 上海,2003,（11）:762-764.