應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中高壓多電平變頻器剖析

多電平高壓變頻器是我們國家近年來在電力電子領(lǐng)域的一個研究重點，它作為一種應(yīng)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(yīng)用在那些高壓風(fēng)機、水泵、壓縮機的節(jié)能改造中，同時也可以大量的采用在工藝和設(shè)備要求的電壓等級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的寶新不銹鋼廠和太鋼應(yīng)用在軋機主傳動上的交流、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)注的重大項目。人們期待用高效率、高可靠而又經(jīng)濟可接受的變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)交流電機的轉(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)國家在70年代初的第一次世界能源危機期間用變頻調(diào)速實現(xiàn)高效節(jié)能事業(yè)的大發(fā)展。對于交流電動機，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機還僅僅采用其他的調(diào)速方式或不調(diào)速的形式運行在工業(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，使得近年來開發(fā)出來的高電壓、大容量的變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式也是各有千秋。但考慮到整個系統(tǒng)的簡單、可靠和經(jīng)濟，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。

近兩年來我國在工業(yè)新上項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(tǒng)采用的是當(dāng)今傳動控制中最為先進(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4MW的交流同步主電機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，同時系統(tǒng)方案又經(jīng)濟、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、泵、壓縮機類的主轉(zhuǎn)動上，也可應(yīng)用在 工藝性能要求高的軋機生產(chǎn)上和大型船舶驅(qū)動上。

2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

近年來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)的可靠性的角度來說，它們都很難保證系統(tǒng)的可靠運行，同時輸出波形也很差。

圖1 不同電平結(jié)構(gòu)圖和輸出波形圖

近年來在電力電子元器件發(fā)展的同時，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?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，直流側(cè)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(tǒng)動態(tài)控制的難度；同時這種結(jié)構(gòu)的擴展能力也很有限。

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就是最近我國從歐洲阿爾斯通公司引進(jìn)的應(yīng)用于軋機控制的高壓、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，即模塊化的結(jié)構(gòu)。這種變頻器的特點是保證了元器件的串并聯(lián)連接，同時它又不是元器件的簡單的串并聯(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)去滿足不同等級的電壓要求；
由于這種結(jié)構(gòu)特點，使當(dāng)今系統(tǒng)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(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)中的在各級元器件上的眾多分壓分流保護(hù)裝置，可以使電路的各個單元彼此相互隔離，使得系統(tǒng)既簡單，又可靠且易于維護(hù)。從而消除了串并列多個半導(dǎo)體元件所帶來的系統(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非常容易在市場找到，從而為我們的開發(fā)和應(yīng)用帶來了極大的選擇機會。

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系統(tǒng)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)正好在這方面是它的優(yōu)勢，應(yīng)該說電平級數(shù)越多其輸出波形越接近于正弦波。