1、单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望一引言单元串联式多电平高压变频器的起源现状和展望竺伟时臌单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出.其输出通常采用多电平移相式 PWM,以实现较低的输出电压谐波,较小的 du/dI 和共模电压.输入通常采用多重化隔离变压器,以达到抑制输入谐波的目的.近年来,该技术在全球范围内发展迅速国内也涌现了很多基于该技术方案的高压变频器生产厂家,产业化成绩十分显着.二单元串联式多电平高压变频器起源美国西屋电气公司于 1986 年 5 月申本文作者竺佶先生请了美国专利,提出由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统,图 1 为功率单元的基本
2、结构和串联示意图.图中对输出高压的控制可通过可控整流桥控制逆变系统中部分模块的直流电压实现也可通过对部分模块的逆变侧进行 PWM 控制来实现.该发明提出了单元串联多电平变频器的基本框架.图 1 中上面的功率单元采用可控整流桥调整直流母线电压,输出频率则通过逆变侧控制:下面的功率单元采用不可控整流,用逆变侧 PWM 控制输出电压图 1 功率单元结构和串联方式关键词:高压变频器多电平单元串联竺伟先生上海艾帕电力电子有限公司总经理,博士,高级工程师:陈伯时先生上海大学教授,博士生导师:周鹤良先生中国电工技术学会常务副理事长,教授级高工.的幅值和频率.图 2 为采用功率单元串联形成三相高压输出的组合示
3、意图,用于高压电动机的变频调速.发明者还提出另外一种单元串联结构,可实现三相高压输出.由于其功率单元的利用率不高,实用意义不大但足以看出其创新意识.该发明解决了变频器要求高压输出而器件耐压不够的矛盾,避免了常规器件直接串联时存在的均压问题奠定了单元串联多电平变频器的基础.美国罗宾康公司于 1994 年 3 月申请了一项专利,提出了输入采用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式 PWM图 2 单元串联多电平高压变频器拓卦世界仪表与自动化_=_单元串联式多电平高压变频器的起源,现状和展望奠奠与|,t图 3 单元串联式多电平高医变频器方辜的单元串联多电平方案,如图 3 所示.囤 4 为功率单元的组成
4、机构.输入变压器采用延边三角形接法,变压器副边互差一定电角度,以达到抑制输入谐波电50,6951a流的目的.输出采用多电平移相式 PWM,同一相中不同串联单元的三角载波互差一定相位,以增加输出电压台阶,提高等效开关频率,改善输出电压波形.囤 5 为移相式 PWM 原理.该方案成为目前市场上主流的单元串联多电平方案.同时,该发明还最早提出功率单元旁路的概念.1998 年 5 月,罗宾康公司又提出中心点偏移式功率单元旁路的方法,在故障功率单元被旁路后,通过调节三相输出电压之间的相位,保证输出线电压仍保持三相对称,电机能正常运行,同时最大程度提高了电压利用率.53btQ1 本 60.1lQ3 本 6
5、168图 4 功率单元结构LOCALMODULATIONC0NTR0L_ER5563该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高.罗宾康公司率先引入多重化移相变压器和多电平移相式 PWM 等概念,解决了输入谐波,输出谐波,du/dt,共模电压和可靠性等问题,在 1994 年推出了全球第一台单元串联式多电平高压变频器,在该技术领域一直处于领先地位,对这种技术方案的推广起到很大促进作用.三单元串联式多电平高压变频器现状由于单元串联式多电平变频器的输入,输出波形好,对电网的谐波污染小,输出适用普通电动机,近几年发展迅速,逐渐成为高压变频调速的主流方案.由于西屋电气和罗宾康公司的两个发明仅在美国进
6、行专利申请,所以相应的技术目前在我国属于公知技术.除罗宾康公司外国外还有东芝,三菱,富士等厂家生产此类变频器.国内也有以利德华福,东方日立为代表的众多生产厂家.驱动电动机的功率在CURRENTC0NTR0LLER3500kW 以下 ,全部为空冷.此外,也有采用三电平功率单元的方案,还有采用常规 IGBT 直接串联(带动态均压)的产品.我国高压电动机多为 6kV 和 10kV 等级,目前,三电平变频器受到器件耐压的限制,尚难以实现这个等级的直接高压输出,而单元串联式的输出电压能达到 10kV,甚至更高,所以在我国得到广泛应用,尤其在风机水泵等节能领域,几乎已经形成垄断的态势.一阴删一 0叫.删一
7、 MC60O0 一明眦一 BONM蠹.,队()(/)(釜耄季盖(XX)c 入入 X/)窆易,适 VVVVVVVVVVVVYVVVVYVTVV,JJ业 JL1 天.I1_l_一_I_iIi_ 一 IIIIII-一 mLII1 士上_.1 上 LJ1-T/u,IJHJ.III,/一.IIi帅II一一萎牟早兀,r 裂.1 旦忖哥取早兀珀侧 j口_ _-_一一 0I:fJA2_1 广 1J_-1_厂_乙厂_n 广 L.一 J1 几几几厂_1 广-_广 L 厂_LJ1_控制复杂性增加(如三电平 wM 和电容 i中心点电位波动问题).效果并不理想.i.一.目前,国际上该技术的发展已比较 iA31-厂1 广
8、_1 厂_L_厂 L厂_几 nrL 一1 几几广_J_L_r_ 厂_1 厂成熟,输出电压等级达到 144kV.最大 jAN 几卟删咖n 几容量是罗宾景公司为某液化天然气压 in1rJ 站项目提供的用于 60000kW 同步电动 i机的变频器,输出电压为 7200V.输出 l囝多毫平移槽苴 PWM 频率最高达 IOOHz,采取水冷技术.国际先进厂家已采用无速度传感器51a】51bj51c】53a“t-;【卜_ 矢量控制和速度闭环矢量控制.能驱动 c 广jQ3 辛同步电动机和多绕组电动机 .能实现变 IQ1 士 60-一l-._JIJ69 黼阪和由网古撞弧的特 t 丌墟 f 同 i,.,._,.一
9、- BYPASS 丘,皿吉儿_1nn1lI工士 il58,-_59I.一 1.“IQ55 度传感器矢量控制高压变频器可达到的 l50a;il:50b】50cj53b.ll 技术指标为:调速范围.O.,稳态转 I 一Jt 月删曼!u 为,礼绒 l 土曼内,软图功率学元芳路结构响应 750rad/s,转速响应 20rad/s.国 i常规单元串联式内目前大部分产品为 V/f 控制,无速度 lA 喜醅.i/量回馈功能,不适用于四单元串联式多电平 I/轧机,吊机等要求四高压变频器发展展望 I/象限运行的场合,这言 i暑鬻 i效余设计l功率单元旁路方高压变频器使用场合的重要性决定 i围 7 中心点偏移功率
10、卓元芳蹈虏理式多电平变频器的可靠弥补多电平变频器元件数量较多所产生 l世界仪表与自动化-i单元串联式多电平高压变频器的起源,现状和展望童冀与节簟的可靠性问题大大提高其 MTBF.冗余设计包括主回路的冗余设计和控制系统的冗余设计.主回路的冗余设计主要采用功率单元旁路技术和采用多台变频器给多相电机供电的方式功率单元旁路技术已比较成熟并得到广泛应用.考虑到大部分电机为三相电机,在超容量应用领域,采用多台变频器并联的技术方案会有一定优势,在扩大容量的同时还能实现冗余设计.制系统参数修正功能以提高系统的鲁棒性.3.高耐压功率器件应用目前,单元串联式多电平高压变频器基本采用低压 IGBT(1700V 以下
11、)作为主要功率器件,功率单元的额定输出交流电压通常在 750V 以下,因而导致变频器所用元器件数量多于其他类型的变频器.现在也有公司采用 3300V 的 IGBT作为功率器件.以后也可能考虑采用loopL(_J(IO13-J(_J(-JI253dJ253a253e_J-J(_JcPT-J(_J(图 8 采用 AFE 结构的功率单元2.无速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下,大大提高变频器的性能,拓展应用领域.即使用在风机,水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合,无速度传感器矢量控制具有转矩限幅,快速转速跟踪再起动等功能,能有效防止加速过程中过电流跳机,减速过
12、程中的过电压跳机和其他不正常的停机现象,对于保证变频器的可靠运行具有非常重要的意义.单元串联式多电平高压变频器由于输出电压电流波形比较理想相对低压变频器而言实现无速度传感器矢量控制的难度有所降低.电机参数不准和时变是影响无速度传感器矢量控制性能的重要因素,要求控制算法中尽量避开敏感的参数或增加电机参数在线辨识和控IGCT 等耐压更高的功率器件,以简化主电路结构,提高可靠性.当然,采用高耐压器件后所带来的整体成本增加,以及由于串联单元个数减少而引起的波形质量下降必须综合考虑.4.大容量化随着应用领域的扩展和相关技术及工艺的进步,高压变频器容量逐步增大.冷却问题随着容量的增大变得十分重要.在大容量
13、领域,水冷技术是比较合适的选择国外水冷技术的变频器输出电流可达到 1400A.水冷技术对结构设计和热设计提出很高要求,同时对基础制造业也提出了挑战,国内目前制造水冷变频器的主要瓶颈在于水冷变压器和水冷散热器,连接件等配套工业.水冷高压变频器的水循环系统比较复杂,冷却介质一般采用纯净水加一定比例的防冻剂,如乙二醇.水循环系统必须有温度,压力,流量,导电率的监测和控制,需要安装去离子装置和水位调节储水罐等附件.水冷方式的优点是散热效果好,噪音小缺点是成本高,维护复杂.目前国际范围 Ia690V 等级空冷功率单元成熟产品的最大电流为 600A 左右.上海艾帕电力电子有限公司正在利用专利技术开发 1000A 的空冷功率单
