摘 要：多電平高壓變頻器是我們國(guó)家近年來(lái)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(lái)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(lái)開發(fā)出來(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)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(lái)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(lái)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)。 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.