摘要： 本文對國內外高性能、大容量交流電機調速系統的現狀和動態進行了回顧，并介紹了在目前研究和應用領域中的幾種熱門電路拓撲。最后，對PWM控制技術和高性能、大容量交流電機調速系統在能源、環境和交通中的應用進行了展望。 關鍵詞：高壓大容量，多電平變換器，PWM控制 一、前言 能源短缺和環境污染是人類當前面臨的共同的世紀性難題。70年代以來兩次世界性的能源危機以及當前環境問題的嚴重性，引起世界各國對節能技術的廣泛關注。我國能源生產和消費已列世界第二，但仍遠遠滿足不了工業生產和人民生活發展的需要, 在能源十分緊張的情況下，卻因為在節能方面的巨大差距，造成單位產值能耗太大, 每年的能源浪費驚人。如相當一部分的風機、水泵類負載, 由于采取恒速驅動, 浪費掉大量的電能。這類拖動系統約占工業電力拖動總量的一半, 如果采用調速節能技術至少可節約20 以上的電能。我國“十五”計劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節能目標，而節能工作的重點則放在推行量大面廣的節能技術上。其中一項重要措施就是要逐步實現電動機、風機、泵類設備和系統的經濟運行，發展電機調速節電和電力電子節電技術，只有這樣才能以較低的能源消費彈性系數和較大的節能量來長期支持國民經濟快速、健康、持續的發展。 此外，大量的煤炭、石油沒有經過深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對環境的嚴重污染。目前，汽車廢氣排放過度已造成全球性的溫室效應，也是造成北京地區空氣污染的主要原因之一。解決城市環境污染和交通擁擠的重要途徑是發展高速公共交通工具（地鐵，城市輕軌）及電動汽車，高速電氣化列車則是實現城際快速交通的首選，其核心技術都是八十年代以來和微電子技術并駕齊驅飛速發展起來的一門新技術————-現代電力電子及交流電機傳動技術。此外, 在軋鋼，造紙，水泥制造、礦井提升、輪船推進器等工業和民用領域中也應廣泛使用大中容量交流電機調速系統。此時，交流調速系統的應用不但可達到節能的目的，還可實現整個系統的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產效率和產品質量。 從目前掌握的資料和市場上提供的大容量調速產品可以看到，目前每年世界范圍內的交流電機調速系統的硬件，軟件和外圍設備的總銷售額是48.5億美元。其中歐洲，中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統功率的銷售分布看，小功率的調速系統仍然支配了市場，1-4千瓦的調速系統占了總銷售額的 21% ， 5-40 千瓦系統則占總銷售額的 26% 。但是隨著以IGBT、IGCT為代表的新型復合器件耐壓、電流和開關性能的迅速提高，大容量交流電機調速技術必將獲得飛速的發展和長足的進步，其市場前景十分鼓舞人心。 國外在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和應用方面上遠遠走在我們前面，MVA級的高壓逆變器已有產品大量投入市場，并應用于電力機車，船艦電力推進，軋鋼，造紙及供水等系統中，交流電機變頻調速技術及其產品已成為一些工業發達國家的先導產業。目前我國大中容量交流調速系統的研制工作起步較晚，很多必需的場合均為國外產品所占領。因此，研制性能可靠，價格便宜的大中容量高性能交流電機變頻調速系統，并盡快投入批量生產，對促進國民經濟發展、實現經濟增長方式轉變、降低單位產值能耗，打破西方國家在此領域的壟斷地位，都將具有重要的戰略和現實意義。 二、大容量交流電機調速技術發展現狀 80年代以來，現代電力電子技術開始向高頻，高效（低開關損耗），高功率因數，高功率密度（組合集成化）及高壓大功率方向迅速發展。以GTO、BJT、MOSFET為代表的自關斷器件得到長足的發展, 尤其是以IGBT為代表的雙極型復合器件的驚人發展, 使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅動、低損耗、智能模塊化的方向前進。伴隨著電力電子器件的飛速發展, 大功率逆變器及交流調速技術的發展也日趨高性能化。 1.傳統大功率逆變電路 傳統的大功率交流電機調速系統采用的變換器主要有： （1） 普通交直交三相逆變器 （2） 降壓—普通變頻器—升壓 （3） 交交變頻器 （4） 變壓器耦合的多脈沖逆變器 以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實現大功率交流傳動的同時，在性能上沒有什么突破，且裝置復雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對電網污染嚴重，功率因數低，無功損耗大，須附加諧波治理裝置，設備成本成倍增加。因此近十幾年來, 一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓撲吸引了許多學者的注意。 2. 新型多電平電壓型逆變器 日本長岡科技大學的A．Nabae等人于1980年在IAS年會上首次提出三電平逆變器, 又稱中點箝位式（NPC）逆變器。它的出現為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。在此基礎上, 經過多年的研究發展出幾種主要的多電平變換器拓撲結構，主要分兩種[1][2][3]：一種為單一直流電源的箝位型變換器拓撲，包括二極管箝位型（Diode Clamped），電容箝位型（Capacitor Clamped），以及在此基礎上發展出的通用型拓撲，還有層疊式多單元拓撲（Stacked Multi-cell）；第二種為獨立直流電源的級聯型拓撲（Cascaded Inverter with Separated DC Source）。圖1將現有的多電平變換器作如下分類 根據直流電壓源的性質和串聯方式不同，上述兩種拓撲可以用兩個電路模型表示：單一直流電源直接串聯分壓模型和多個電氣獨立的直流電源串聯模型，見圖2和圖3。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線中的多路開關，現實中由功率開關器件網絡構成的，不同的開關狀態即代表接到不同的節點。圖3中作為直流電源的Vdc1…Vdcn經過變換電路的不同開關狀態，可以在輸出端組合出多種電平值。 多電平變換器拓撲結構與普通兩電平逆變器相比具有以下優點∶ • 更適合大容量、高壓的場合。 • 可產生M層階梯形輸出電壓, 理論上提高電平數可接近純正弦波形, 諧波含量很小。 • 電磁干擾 （EMI）問題大大減輕, 因為開關元件一次動作的dv/dt通常只有傳統雙電平的1/（M-1）。 • 效率高。 消除同樣諧波, 雙電平采用PWM 控制法開關頻率高、損耗大, 而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作, 開關頻率低、損耗小, 效率提高。 除上述共同特點外，幾種拓撲結構各有優缺點, 現比較如下： （1） 二極管箝位的多電平逆變器 二極管箝位式多電平結構是出現較早，應用場合較多的一種結構。這種結構的特點是采用多個二極管對相應開關元件進行箝位, 輸出相應M電平的相電壓。二極管箝位式拓撲具有多電平逆變器共同的優點，但存在自身不足：a）箝位二極管承受電壓不均勻。 b）器件所需額定電流不同。按最大額定設計將造成（M-1）（M-2）/2的開關元件容量上有所浪費, 利用效率低。C）直流側電容由于一個周期內的流入和流出的電流可能不相等, 造成不同級的直流側電容電壓在傳遞有功功率時出現不均衡現象。而當進行有功傳遞時, 如不附加恒壓裝置, 必將導致M電平逐漸變為三電平（M為奇數）或兩電平（M為偶數）。解決的辦法通?？捎肞WM電壓調節器或電池來代替電容, 但這樣又將導致系統復雜, 使成本升高。 為解決以上問題，在傳統的二極管箝位式多電平結構上出現了幾種改進型結構。在兩個相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進拓撲結構不但解決二極管串聯問題，而且所加電容對開關器件關斷時的過壓進行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側電容電壓的不平衡性，且能實現電流的雙向流動。另一種將兩個相同變換器背對背使用的改進結構，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，直流側電容相應節點進行連接，可較好的平衡電容電壓。 （2） 電容箝位的多電平逆變器 電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年會上提出，最初目的是減少NPC多電平逆變器中過多的嵌位二極管，即采用懸浮電容器來代替嵌位二極管工作，直流側的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對比二極管嵌位多電平逆變器，這種拓撲結構雖省去了大量的二極管, 但又引入不少電容。對高壓大容量系統而言, 電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。電容的引進使電壓合成的選擇增多, 開關狀態的選擇具有更大的靈活性，通過在同一電平上進行合適的不同開關狀態的組合, 可使電容電壓保持均衡,可較好地應用于有功調節和變頻調速系統, 但控制方法變得較為復雜, 而且開關頻率將增高,開關損耗加大, 效率隨之降低。 為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對背的變流器結構來調整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開關模式來同時控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過對電容電壓進行檢測，如果出現不平衡，可以適當改變整流橋的控制。其缺點是：引入了大量的懸浮電容，而且存在著電容電壓平衡的問題，目前法國ALSTOM公司開發出產品。 （3） 電壓自平衡式多電平變頻器拓撲 2000年美國密執根大學的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓撲，它不需要借助附加的電路來抑制直流側電容的電壓偏移問題，從理論上實現了一個真正的有實際應用價值的多電平結構，傳統的二極管鉗位式和電容鉗位式電路拓撲也可以由它簡化和發展而來。 高壓大容量多電平電路的一個技術難點就是中點電壓的控制問題。對于三電平及以上電平數的拓撲，如果中點電壓控制的不好，是不能有效的應用于大容量的電能變換場合的。對于以上幾種拓撲結構，電壓高于三電平時，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個復雜的電路結構來幫助維持中點電壓的平衡。這種新的拓撲結構具有電壓自平衡的功能，對于各種逆變器控制策略和負載情況，都能有效的控制中點電壓。 圖5即為這種新型的自平衡多電平結構單相的拓撲，由圖可知，它是由圖4所示的基本單元組成的。因為基本的單元是一個兩電平的單相電路 （a two-level phase leg ），所以由它組成的多電平結構又叫做P2多級逆變器。 這種可電壓自平衡的P2多電平拓撲的特點是： • 該系統的電能損耗反比于電容量和開關頻率，提高開關頻率和加入一些特定的開關狀態可以大大減小損耗，提高系統效率。 • 相比起一般的二極管鉗位和電容鉗位式拓撲，該系統各級的中點電壓都能得到很好的控制。 • 對一個M級電平的P2逆變器系統，所需的開關器件/二極管數目為M＊（M-1）；需要的電容器數量為M＊（M-1）/2。 • 計算簡單，器件應力可達到最小化。 對圖5的系統進行簡化和變形，可以得到傳統的二極管鉗位和電容鉗位式多電平拓撲，以及一些其他的改進拓撲。去掉圖5所有的鉗位開關，可以得到二極管-電容鉗位的多電平系統，如圖6；而去掉鉗位開關和二極管，則得到電容鉗位式的多電平系統，如圖7；去掉鉗位開關和電容，可得到二極管鉗位式拓撲，如圖8；再對調二極管的連接，可得到一種改進的背對背的二極管鉗位式系統，如圖9。 這種通用的多電平拓撲的應用還包括，開關電容DC-DC變換器和倍壓電路；此外，結合其他電路的使用還可實現雙向的DC-DC變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來實現多電平變頻器。 （4）層疊式多單元結構（SMC） 見圖10，也能實現高壓、多電平輸出[12][13]。這種結構比一般電容箝位型結構有一定優勢，可以使用更少個數和更小體積的電容，減少了裝置的體積，尤其在大于三電平以上高壓輸出的應用中。 SMC拓撲結構是基于跨接電容和開關組成的基本換流單元的一個混合結構。圖11為兩層疊兩單元變換器的結構。這種結構相當于把兩個電容箝位型單元疊加起來，圖中S21a、S21b和S21為互補開關，不能同時開通，同樣其他開關也有類似的互補開關對。上層和下層采用類似電容箝位型的開關方法，就可以實現多電平的輸出。 但是，這個結構也有一些缺點：為了滿足最底層和頂層一方開通時的耐壓要求，拓撲中外側功率開關都是兩管直接串聯，帶來了開通和關斷同步問題，而且由于不是總工作在上述的兩個狀態，從另一個角度說，浪費了功率器件的耐壓容量，而且當需要進一步上高壓，層疊數超過兩層時，開關數量會大大增加，電容也會增多；同時，這類拓撲的控制方法也比較復雜，其優越性也不明顯 。 （5） 帶分離直流電源的串聯型多電平逆變器 對于帶分離直流電源的串聯型多電平逆變器，要獲得更多電平只須將每相所串聯的單元逆變橋數目同等增加即可。其特點是： 直流側采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題，無須二極管或電容箝位，易于進行調速控制 因每個H橋都采用單相控制，直流電容在任一時刻都有交流電流通過，因此需要用較大容量的直流電容 控制方法相對簡單。因每一級結構的相同性, 可分別對每一級進行PWM控制, 然后進行波形重組 對相同電平數而言, 串聯型結構所需器件數目最少 一般二極管嵌位式、電容懸浮式限于7或9電平，串聯型結構因無二極管和電容的限制，電平數可較大，適合更高電壓，諧波含量更少 由于每一級逆變橋構造相同, 給模塊化設計和制造帶來方便, 且裝配簡單, 系統可靠性高。另外, 某一級逆變橋出現故障時, 就被旁路掉, 剩余模塊可不間斷供電, 以盡量減少生產損失 因這種結構較容易采用低壓的功率開關器件，實現多級電壓串聯，獲得高電壓，大容量，因此具有較大的實用性。當然，這種結構的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應用受到一定限制。 目前，國際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經具有同類的產品，可以用在大容量電機調速、無功補償等一些行業。國內也有產品問世，可用于拖動風機、水泵等調速系統中。 （6） 三相逆變器串連式結構 1999年 E.Cengelci等人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯高壓變頻結構。其主要思想是用變壓器將三個由IGBT或IGCT構成的常規逆變器單元的輸出疊加起來，實現更高壓的輸出，并且這三個常規逆變器可采用同一種控制方式，電路結構和控制方法都大大簡化。其拓撲如下所示： 這種三相逆變器串聯式逆變器結構的優點是：  三個常規的逆變器為核心構成高壓變頻器，且每個逆變器可采用常用PWM方法 n三個常規的逆變器平衡運行，各分擔總輸出功率的1/3 整個變頻器輸出可等效為7電平PWM，諧波小和dv/dt低 輸出變壓器的容量只需總容量的1/3 18脈沖輸入，網側無諧波且功率因數高 由于三相逆變器串連式結構的三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，三個逆變器可采用完全相同的控制規律，但是相當于兩電平的高壓變頻器，dv/dt太大。因此可以采用將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3周期的辦法，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，相位互差120º，相當于一個線電壓為7電平的高頻變壓器。 綜上所述，二極管嵌位式和電容嵌位式由于存在均壓問題， 比較適合應用于無功調節，而在有功傳遞，如電機調速方面控制較難，需要實施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統不需要大量的變壓器，結構緊湊，功率因數高，無電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實現的領域上引起了廣泛的關注和應用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯型結構以較低耐壓器件實現高壓大容量，由于電平數可以很多，網側和輸出側諧波很低，若采用四象限整流，并與現代電機控制理論結合，高性能四象限大容量交流電機變頻調速將成為可能，其在交流傳動領域的應用將很是樂觀。 三相逆變器串聯式可以保證均衡利用功率和變 轉矩負載條件的運行，并且對電網諧波污染小，可很好的用于中壓（ 2300～4160 V）的交流電機調速驅動系統。 3. PWM 控制技術 大功率逆變器電路拓撲結構不斷更新的同時, 與之相應的PWM控制技術也得到了飛速的發展。各國學者不僅對傳統的PWM進行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。 1） 傳統的PWM 控制技術及其發展 傳統的PWM 控制技術多用于兩電平逆變器的門極驅動控制, 其主要方法是依靠載波和調制波的比較，得出交點，或采用微機計算方法得到門級觸發脈沖控制信號。正弦脈寬調制SPWM，調制波為正弦波，實現的典型方法有自然采樣PWM，規則采樣PWM，等面積PWM等方法。三電平電路中，若采用兩個正弦波與一個三角波比較，可得到雙向 dipolar 調制PWM[14]，可大大減少相間電壓的諧波。以上這些方法都可以在多電平電路中加以使用。且根據結構的不同，實現的方法也不同。 2） 優化PWM技術 近年來，優化PWM技術得到了迅速發展。它是根據諧波含量，諧波畸變率（THD）最小，轉矩脈動最小等目標函數，尋求PWM控制波形。最優化PWM 有一般PWM 方法不具備的特殊優點，如電壓利用率高，開關次數少及可實現特定優化目標等。優化PWM可用于多電平逆變器，而且可利用NPC逆變器的特點對每個開關元件的控制規律進行優化以提高整體性能，降低電機損耗。 3） 多電平逆變器與空間電壓矢量PWM 空間電壓矢量PWM法，是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由比較結果決定逆變器的開關順序，形成所需的PWM 波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類似于多電平SPWM。對于三電平，五電平逆變器，開關模式容易計算，易于數字化實現。但隨電平數增加，開關模式的計算量劇增，而且所需內存增加很多。由于開關模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達到消除共模電壓作用，而且對于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側電容電壓的不平衡性。 隨著多電平逆變器的出現，空間電壓矢量SVPWM有了進一步的發展。比如對三電平中點嵌位式逆變器，選取適當的空間矢量組合和電壓矢量導通時間，可得到很逼近圓形的磁通。根據選擇矢量的不同還可以有多種SVPWM控制方案，各種方法得到的調制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起雙電平空間矢量，其矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機能獲得更好的性能。同時，其良好的拓撲結構使系統容量變大，可靠性提高，損耗減少。 三電平逆變器存在直流側的高壓，因此對器件仍有潛在的高壓威協，可靠性受到一定的限制。另外，直流側電容電壓的均衡問題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網側的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術可以得到很好的結果。在某些場合（比如UPS中），多電平逆變器還可采用電流滯回控制PWM方法。 三、結論及展望 由于在功率器件研制及拓撲結構方面取得的突破性進展，大容量交流電機調速技術的發展呈現著嶄新的面貌，蘊藏著巨大的發展機遇。 傳統大功率逆變電路由于體積大，性能差，并對電網產生較多諧波，因此應用領域越來越多地受到限制。而新型多電平逆變器由于具有動態性能好，對電網和電機產生的諧波較少，可以上高壓等優點，受到越來越多的重視。當PWM技術應當于多電平逆變器時，產生一些改進方案，對高性能大容量逆變器的應用起了重要作用。 目前我國電動機調速技術的特點是以低壓、小容量調速對象為主，高壓、高效的變頻調速裝置以進口為主。面對節能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產高壓大功率變頻器的產品生產還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰與機遇共存。國際上具有生產、研制新型大功率變頻調速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術發展的過程中一直是按部就班進行的，形成了從功率半導體器件到整機生產的全套工業環節，市場慣性和企業本身的龐大機構使得他們不會馬上轉產全新的產品。而我國是一個新興的發展中國家，盡管在老技術方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉入最新技術的開發和利用，借鑒別人的經驗，跨過他們已經走過的路程。在最新領域取得研究成果的基礎上盡快產業化，可大大縮短與先進國家的差距，在某些方面甚至還可以超過他們。從目前看，大容量交流電機調速技術應用的時機業已成熟，國內只要在體制改革、生產管理和經營決策方面走上軌道，其發展前途不可限量。