应用在工业系统中高压多电平变频器剖析

多电平高压变频器是我们国家近年来在电力电子领域的一个研究重点，它作为一种应用于高压大功率变换场合的新型变频装置，将可以很有效的应用在那些高压风机、水泵、压缩机的节能改造中，同时也可以大量的采用在工艺和设备要求的电压等级较高和容量较大的交流调速的环境中。其主回路的拓扑结构是本文探讨与剖析的主题，本文以欧洲的阿尔斯通电气公司在我国的宝新不锈钢厂和太钢应用在轧机主传动上的交流、高压、多电平的变频器为例进行了剖析。

1、引言

交流电机变频调速已经是当前各行各业都普遍关注的重大项目。人们期待用高效率、高可靠而又经济可接受的变频技术来调节交流电机的转速已达上百年的历史了。在20世纪60年代后半期，电力半导体器件及其在变频器应用中的进步，成就了发达国家在70年代初的第一次世界能源危机期间用变频调速实现高效节能事业的大发展。对于交流电动机，改变频率即能调速。随着可控硅、GTO、IGCT和IGBT等电力电子元器件的开发，相应的控制技术的发展和这些电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业中得到了更广泛的应用。受限于电力电子元器件的开发与应用，在过去的十几年中还基本上是以低压变频调速装置为主，即：电压为380V～690V，工业中大量应用的大容量的高电压的交流电动机还仅仅采用其他的调速方式或不调速的形式运行在工业系统当中，从而消耗了大量的能源。

根据目前各主要变频器的制造厂家的不同研制和开发，现有的高压变频器的组成方式也不尽相同。根据电压的不同，可分为直接高压型和通过升压变压器的高-低-高型（实际为低压变频器）；根据中间的耦合形式，分为交-交型的变频器和交-直-交型的变频器；而根据中间直流偶合环节组合的不同又分为电压源型的变频器和电流源型的变频器。我们知道低电压变频器的拓扑结构都为统一形式的二电平结构方式。而由于电力电子元器件的耐压受到限制，不同的电力电子元器件的开关频率的不同，使得近年来开发出来的高电压、大容量的变频器的拓扑结构形式也是各有千秋。但考虑到整个系统的简单、可靠和经济，目前应用的高压变频器的拓扑结构还主要集中在三电平和四电平的形式上。

近两年来我国在工业新上项目中先后从欧洲的阿尔斯通电气公司引进了几套四电平电压源拓扑结构形式的高压变频器，它们先后应用在我国的太原钢铁公司、宝新不锈钢厂（隶属于宝钢）、青岛钢铁有限公司和天津无缝钢铁总公司。其传动系统采用的是当今传动控制中最为先进的ALSTOM公司的多电平拓扑结构、IGBT元器件的交流高压变频调速装置。此系统的最大特点是，系统为交流高压变频调速装置；主回路采用的是四电平IGBT结构；3台4MW的交流同步主电机共用一条公用直流母线，达到了系统的高性能工艺调速要求，同时系统方案又经济、可靠、节能和最优化配置。整流则采用的是当今最为先进的称之为清洁型能源变流器[1]。此类变频器即可应用在风机、泵、压缩机类的主转动上，也可应用在 工艺性能要求高的轧机生产上和大型船舶驱动上。

2、系统的结构组成

近年来随着电力电子元器件和控制系统结构的发展，GTO、IGCT和IGBT的开发以及变频技术结构形式上的发展，使得高压、大容量变频器得以迅速应用在工业系统当中。变频传动装置首先经历的是在原有的二电平控制结构基础上并串联上多个元器件，其二电平输出波形见图1（a）。元器件的并联连接，输出电压要满足元器件承受电压的要求，这种连接方式所引起的问题与复杂的均流装置相绞合在一起，电路的复杂程度常常易造成元器件的损坏；对于串联元器件的连接形式，输出电流同样要满足元器件的承受能力要求，要确保其分布在元器件上的电压在任何情况下都要均衡，故也容易常常发生系统的故障。因此从系统的可靠性的角度来说，它们都很难保证系统的可靠运行，同时输出波形也很差。

图1 不同电平结构图和输出波形图

近年来在电力电子元器件发展的同时，变频器的拓扑结构也在随之得到开发，伴随着电力电子元器件的耐压和承受电流的限制，变频器的拓扑结构相继出现了三电平、四电平和多电平结构的形式。对于三电平、四电平和多电平结构的变频器，它提供给电动机非常小的谐波电流且电流波形也更接近交流电动机要求的正弦波电流波形，如图1所示。通过这种拓扑结构我们可知随着多电平的增加，其电压幅值在相应的降低，这使功率元器件所承受的电压降低，更加有利于减少装置产生的dv/dt。当前的大容量、高压变频器，既要保证大功率的输出，又要确保系统的可靠运行，还要保证输出波形更趋近于正弦波。目前在高压、大容量的变频器中常常采用的多电平的结构和输出波形如图1所示。三电平的结构方案在近年来的发展中既使用有GTO（以及最近的IGCT中）元器件，也采用在IGBT的方案中（目前几个著名的大公司如西门子，ABB和阿尔斯通都有此类产品）。但它的不足是元器件的导通或阻断是由箝位二极管来加以保证的，箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大；开关器件的导通负荷不一致；在变流器进行有功功率传送时，直流侧各电容的冲放电时间各不相同，容易造成电容电压的不平衡，增加了系统动态控制的难度；同时这种结构的扩展能力也很有限。

随着现代拓扑技术的发展，多电平的变频技术结构方案得以在工业系统中应用。图2就是最近我国从欧洲阿尔斯通公司引进的应用于轧机控制的高压、大容量、四电平变频器的拓扑结构图，从图2中可以清楚地看到它的结构特点，即模块化的结构。这种变频器的特点是保证了元器件的串并联连接，同时它又不是元器件的简单的串并联而是从结构上的串联连接，它确保了电压安全和自然分配。其最为明显的特点为：

目前我们知道在工业中采用的高压标准为3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照这些标准，通过整体的单元装置的串并联拓扑结构技术去满足不同等级的电压要求；
由于这种结构特点，使当今系统普遍采用的多台变频共用一条直流母线的方案非常容易实现，以达到在系统内部的能量互相交换；
这种结构取消了我们传统结构中的在各级元器件上的众多分压分流保护装置，可以使电路的各个单元彼此相互隔离，使得系统既简单，又可靠且易于维护。从而消除了串并列多个半导体元件所带来的系统可靠性差的因素；
由于此结构采用的是IGBT元器件，它的开管频率高，触发电流小，且IGBT非常容易在市场找到，从而为我们的开发和应用带来了极大的选择机会。

图2 四电平结构原理图

从图2可以看出，这种结构的输出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流变频传动系统对传输电缆以及电机和变压器绕组的危害性最大。而对于多电平结构系统正好在这方面是它的优势，应该说电平级数越多其输出波形越接近于正弦波。

3、四电平传动结构的控制原理

四电平控制结构如图2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成对的方式构成的，而每一对都是基于传统的二电平的控制思想去进行控制的。图3表明了此四电平的运行原理图和各大功率元器件所承受的电压以及各电容上分布的电压。从电路结构上可以看出整个电路所承受的电压为：V，2/3V，1/3 V，但在每一处于阻断状态的功率元器件的电压总是1/3V。这种结构技术圆满解决了各功率元器件上所承受的电压动态和静态的问题，同时不同的一对元器件的控制是在不同的时间段也限制了dv/dt的问题。实际上各元器件上所承受的浮动电压是由各电容来提供的，电路在换相过程中对各电容进行充放电，其电容电压遵守着如下的规则[2]：

这里的n为每一相共有几对大功率元器件的个数，例如：四电平结构的每相共有3对大功率元器件，即在这里 n=3。从电路结构中我们知道在每一功率元器件通过的电压取决于电容上的电压Ck和Ck-1并由下式给出：

现在我们知道每一阻断大功率元器件上所承受的电压为V/n，并且导通的元器件的电压为0。这就证明了图（3）的四电平的输出电压波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平结构的换相控制要同时满足：
电容电压要恒定，即

为了决定对每一对大功率元器件的控制类型，我们假定其最初的电压值Vck是由给出，并研究保持这些电压恒定的条件。

每一电容Ck都与功率元器件之间连接着，并取决于这对元器件开关的状态，在这个电容上的电流是+I，0，-I， 它能表达为：，这里的Sk和Sk+1是0或1（这将根据功率元器件开关的状态）。这个方程给出了下列电压Vck k＝1…n的稳定状态的稳定条件：

当电流I在一开关段为积分恒定时，则对电压Vck k＝1…n稳定状态的稳定条件可写为：

图3 四电平结构运行控制原理图

我们知道对于这种四电平结构所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路则采用的是PWM方式的调制技术。其控制回路采用了目前在工业系统中大量应用的高性能控制器（工业用计算机），用它来分配系统的工作周期和发送控制周期，在一个控制周期分成几个阶段，在每一阶段严格按照导通和关断的规律去控制IGBT功率元器件开关动作。从图3中我们可以很直观地看到各阶段各开关元器件的导通，关断的过程。例如在A段：1#，2#和3#的开关导通C1上充有正向电流；而在C段：2#，1#和3#的开关导通，而C1此时为放电状态。不管怎样我们的负载侧在一个周期内的各个阶段得到都是1/3V。同时我们很直观地看出在电容上的平均电流为0，电容在这里起到分压和使系统达到自然换相的目的。通过这种高速的分配控制，系统可以避免多个串联功率元器件在瞬间同时导通，有使输出电压波形更趋于所希望的正弦波形。

图4表明了在太钢实际采用的2个IGBT和电容模块化的结构图。这种通过双母排把IGBT和浮动电容组合在一起，最大化地减小了IGBT的开关电感，同时也使整个系统成为一整个抽屉式的结构，其每一相仅有3个模块组成，非常易于维护。

图4 两个IGBT和电容的结构图

4、结束语

IGBT四电平结构变频控制器是当今传动系统最新的前沿控制技术，此类变频器第一套装置应用在工业系统中是1999年在欧洲的冶金系统的轧钢卷取轧机上，其动态静态性能和可靠性都显示了当今技术的水平，2002和2003年先后在太钢和宝新投入运行的装置也取得了非常好的经济效益。本文较详细的分析了此变频器的拓扑结构和电流分配的原理。为选择适合于高压大容量场合多电平变频器的技术方案的应用提供了借鉴。