三電平有源電力濾波器技術(shù)詳解

一、二極管箝位三電平技術(shù)

二極管箝位三電平拓?fù)溆扇毡緦W(xué)者Nabae. A 等人在1980 年提出，經(jīng)過近30年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓?fù)涞膬?yōu)勢在于，各個開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關(guān)管，組成較高電壓等級的變流器。這個技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于中壓大功率交流傳動系統(tǒng)中。采用6500V等級的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4.2kV電動機(jī)傳動系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一般應(yīng)用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實(shí)決定的。但是我們應(yīng)該看到二極管箝位三電平拓?fù)浔旧砉逃械囊恍﹥?yōu)勢。

（1） 用電壓等級較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的變流器，隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上已經(jīng)有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高，最高開關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠(yuǎn)大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時前者可以達(dá)到的開關(guān)頻率也高于后者。

（2） 能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負(fù)母線電壓以及零電壓（簡稱P、N、O）,一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波電流損耗。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機(jī)的沖擊以及較大的軸電流，嚴(yán)重影響著電機(jī)的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生也重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應(yīng)用之中，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于400V系統(tǒng)應(yīng)用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢。應(yīng)用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下：

（1）2008年日本安川電機(jī)推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應(yīng)用中取得了巨大成功。

（2）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱BOOST進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓?fù)?，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品。

（3）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司推出了業(yè)界第一個三電平有源電力濾波器HESINE系列產(chǎn)品，并取得了巨大的成功。本文將對此系列產(chǎn)品做一個較為詳細(xì)的說明。

二、Hesine系列有源電力濾波器

將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國內(nèi)外很多文獻(xiàn)都有涉及，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此都進(jìn)行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒有從實(shí)驗(yàn)室走向市場。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過于復(fù)雜，應(yīng)用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認(rèn)識到該技術(shù)的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。

三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：

（1） 低紋波電流，高電流響應(yīng)速度。

紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個指標(biāo)。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負(fù)載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達(dá)到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關(guān)。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補(bǔ)償50次諧波計算，最高諧波頻率將達(dá)到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應(yīng)速度有很高的要求。電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線電壓越高，電流響應(yīng)越快；輸出電感越大，電流響應(yīng)越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好，這是一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關(guān)頻率?，F(xiàn)在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到20kHz。但是，開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗，有源電力濾波器的單機(jī)容量會受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零三種電壓，在計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應(yīng)速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應(yīng)速度，增強(qiáng)濾波效果，提高單機(jī)容量。

（2） 提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)。

通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高，例如石油鉆機(jī)傳動采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應(yīng)速度、保證補(bǔ)償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應(yīng)用，直流母線電壓一般在700V～750V，而對于600V，直流母線電壓需要達(dá)到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?00V。通過諧波的變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的，價格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會比較大。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng)，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時保證較好濾波效果和單機(jī)容量。

正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。