多電平高壓變頻器是我們國家近年來在電力電子領域的一個研究重點，它作為一種應用于高壓大功率變換場合的新型變頻裝置，將可以很有效的應用在那些高壓風機、水泵、壓縮機的節能改造中，同時也可以大量的采用在工藝和設備要求的電壓等級較高和容量較大的交流調速的環境中。其主回路的拓撲結構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的寶新不銹鋼廠和太鋼應用在軋機主傳動上的交流、高壓、多電平的變頻器為例進行了剖析。
1、引言
交流電機變頻調速已經是當前各行各業都普遍關注的重大項目。人們期待用高效率、高可靠而又經濟可接受的變頻技術來調節交流電機的轉速已達上百年的歷史了。在20世紀60年代后半期，電力半導體器件及其在變頻器應用中的進步，成就了發達國家在70年代初的第一次世界能源危機期間用變頻調速實現高效節能事業的大發展。對于交流電動機，改變頻率即能調速。隨著可控硅、GTO、IGCT和IGBT等電力電子元器件的開發，相應的控制技術的發展和這些電力電子器件的高度集成化，使得變頻器在工業中得到了更廣泛的應用。受限于電力電子元器件的開發與應用，在過去的十幾年中還基本上是以低壓變頻調速裝置為主，即：電壓為380V～690V，工業中大量應用的大容量的高電壓的交流電動機還僅僅采用其他的調速方式或不調速的形式運行在工業系統當中，從而消耗了大量的能源。
根據目前各主要變頻器的制造廠家的不同研制和開發，現有的高壓變頻器的組成方式也不盡相同。根據電壓的不同，可分為直接高壓型和通過升壓變壓器的高-低-高型（實際為低壓變頻器）；根據中間的耦合形式，分為交-交型的變頻器和交-直-交型的變頻器；而根據中間直流偶合環節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撲結構都為統一形式的二電平結構方式。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頻率的不同，使得近年來開發出來的高電壓、大容量的變頻器的拓撲結構形式也是各有千秋。但考慮到整個系統的簡單、可靠和經濟，目前應用的高壓變頻器的拓撲結構還主要集中在三電平和四電平的形式上。
近兩年來我國在工業新上項目中先后從歐洲的阿爾斯通電氣公司引進了幾套四電平電壓源拓撲結構形式的高壓變頻器，它們先后應用在我國的太原鋼鐵公司、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。其傳動系統采用的是當今傳動控制中最為先進的ALSTOM公司的多電平拓撲結構、IGBT元器件的交流高壓變頻調速裝置。此系統的最大特點是，系統為交流高壓變頻調速裝置；主回路采用的是四電平IGBT結構；3臺4MW的交流同步主電機共用一條公用直流母線，達到了系統的高性能工藝調速要求，同時系統方案又經濟、可靠、節能和最優化配置。整流則采用的是當今最為先進的稱之為清潔型能源變流器[1]。此類變頻器即可應用在風機、泵、壓縮機類的主轉動上，也可應用在 工藝性能要求高的軋機生產上和大型船舶驅動上。
2、系統的結構組成
近年來隨著電力電子元器件和控制系統結構的發展，GTO、IGCT和IGBT的開發以及變頻技術結構形式上的發展，使得高壓、大容量變頻器得以迅速應用在工業系統當中。變頻傳動裝置首先經歷的是在原有的二電平控制結構基礎上并串聯上多個元器件，其二電平輸出波形見圖1（a）。元器件的并聯連接，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雜的均流裝置相絞合在一起，電路的復雜程度常常易造成元器件的損壞；對于串聯元器件的連接形式，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，故也容易常常發生系統的故障。因此從系統的可靠性的角度來說，它們都很難保證系統的可靠運行，同時輸出波形也很差。
圖1 不同電平結構圖和輸出波形圖
近年來在電力電子元器件發展的同時，變頻器的拓撲結構也在隨之得到開發，伴隨著電力電子元器件的耐壓和承受電流的限制，變頻器的拓撲結構相繼出現了三電平、四電平和多電平結構的形式。對于三電平、四電平和多電平結構的變頻器，它提供給電動機非常小的諧波電流且電流波形也更接近交流電動機要求的正弦波電流波形，如圖1所示。通過這種拓撲結構我們可知隨著多電平的增加，其電壓幅值在相應的降低，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生的dv/dt。當前的大容量、高壓變頻器，既要保證大功率的輸出，又要確保系統的可靠運行，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構和輸出波形如圖1所示。三電平的結構方案在近年來的發展中既使用有GTO（以及最近的IGCT中）元器件，也采用在IGBT的方案中（目前幾個著名的大公司如西門子，ABB和阿爾斯通都有此類產品）。但它的不足是元器件的導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，數量龐大；開關器件的導通負荷不一致；在變流器進行有功功率傳送時，直流側各電容的沖放電時間各不相同，容易造成電容電壓的不平衡，增加了系統動態控制的難度；同時這種結構的擴展能力也很有限。
隨著現代拓撲技術的發展，多電平的變頻技術結構方案得以在工業系統中應用。圖2就是最近我國從歐洲阿爾斯通公司引進的應用于軋機控制的高壓、大容量、四電平變頻器的拓撲結構圖，從圖2中可以清楚地看到它的結構特點，即模塊化的結構。這種變頻器的特點是保證了元器件的串并聯連接，同時它又不是元器件的簡單的串并聯而是從結構上的串聯連接，它確保了電壓安全和自然分配。其最為明顯的特點為：
目前我們知道在工業中采用的高壓標準為3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照這些標準，通過整體的單元裝置的串并聯拓撲結構技術去滿足不同等級的電壓要求；
由于這種結構特點，使當今系統普遍采用的多臺變頻共用一條直流母線的方案非常容易實現，以達到在系統內部的能量互相交換；
這種結構取消了我們傳統結構中的在各級元器件上的眾多分壓分流保護裝置，可以使電路的各個單元彼此相互隔離，使得系統既簡單，又可靠且易于維護。從而消除了串并列多個半導體元件所帶來的系統可靠性差的因素；
由于此結構采用的是IGBT元器件，它的開管頻率高，觸發電流小，且IGBT非常容易在市場找到，從而為我們的開發和應用帶來了極大的選擇機會。
圖2 四電平結構原理圖
從圖2可以看出，這種結構的輸出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流變頻傳動系統對傳輸電纜以及電機和變壓器繞組的危害性最大。而對于多電平結構系統正好在這方面是它的優勢，應該說電平級數越多其輸出波形越接近于正弦波。
3、四電平傳動結構的控制原理
四電平控制結構如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對的方式構成的，而每一對都是基于傳統的二電平的控制思想去進行控制的。圖3表明了此四電平的運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。從電路結構上可以看出整個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的功率元器件的電壓總是1/3V。這種結構技術圓滿解決了各功率元器件上所承受的電壓動態和靜態的問題，同時不同的一對元器件的控制是在不同的時間段也限制了dv/dt的問題。實際上各元器件上所承受的浮動電壓是由各電容來提供的，電路在換相過程中對各電容進行充放電，其電容電壓遵守著如下的規則[2]：
這里的n為每一相共有幾對大功率元器件的個數，例如：四電平結構的每相共有3對大功率元器件，即在這里 n=3。從電路結構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。
平結構的換相控制要同時滿足：
電容電壓要恒定，即 
為了決定對每一對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，并取決于這對元器件開關的狀態，在這個電容上的電流是+I，0，-I， 它能表達為：，這里的Sk和Sk+1是0或1（這將根據功率元器件開關的狀態）。這個方程給出了下列電壓Vck k＝1…n的穩定狀態的穩定條件：
當電流I在一開關段為積分恒定時，則對電壓Vck k＝1…n穩定狀態的穩定條件可寫為：
圖3 四電平結構運行控制原理圖
我們知道對于這種四電平結構所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調制技術。其控制回路采用了目前在工業系統中大量應用的高性能控制器（工業用計算機），用它來分配系統的工作周期和發送控制周期，在一個控制周期分成幾個階段，在每一階段嚴格按照導通和關斷的規律去控制IGBT功率元器件開關動作。從圖3中我們可以很直觀地看到各階段各開關元器件的導通，關斷的過程。例如在A段：1#，2#和3#的開關導通C1上充有正向電流；而在C段：2#，1#和3#的開關導通，而C1此時為放電狀態。不管怎樣我們的負載側在一個周期內的各個階段得到都是1/3V。同時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達到自然換相的目的。通過這種高速的分配控制，系統可以避免多個串聯功率元器件在瞬間同時導通，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。
圖4表明了在太鋼實際采用的2個IGBT和電容模塊化的結構圖。這種通過雙母排把IGBT和浮動電容組合在一起，最大化地減小了IGBT的開關電感，同時也使整個系統成為一整個抽屜式的結構，其每一相僅有3個模塊組成，非常易于維護。
圖4 兩個IGBT和電容的結構圖
4、結束語
IGBT四電平結構變頻控制器是當今傳動系統最新的前沿控制技術，此類變頻器第一套裝置應用在工業系統中是1999年在歐洲的冶金系統的軋鋼卷取軋機上，其動態靜態性能和可靠性都顯示了當今技術的水平，2002和2003年先后在太鋼和寶新投入運行的裝置也取得了非常好的經濟效益。本文較詳細的分析了此變頻器的拓撲結構和電流分配的原理。為選擇適合于高壓大容量場合多電平變頻器的技術方案的應用提供了借鑒。
參考文獻
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