摘 要： 本文對單元串聯式多電平高壓變頻器的起源和現狀進行了總結，同時對該技術未來的發展趨勢進行了展望。 關鍵詞： 高壓變頻器，多電平，單元串聯 1 引言 　　單元串聯式多電平變頻器采用多個功率單元串聯的方法來實現高壓輸出。其輸出通常采用多電平移相式PWM，以實現較低的輸出電壓諧波，較小的du/dt和共模電壓。輸入通常采用多重化隔離變壓器以達到抑制輸入諧波的目的。 　　近年來，該技術在全球范圍內發展迅速，國內也涌現了很多基于該技術方案的高壓變頻器生產廠家，產業化成績十分顯著。 2 單元串聯式多電平高壓變頻器起源 　　美國西屋電氣公司于1986年5月申請了專利號為4674024的美國專利。該發明提出了由獨立的標準低壓功率單元串聯形成的高壓逆變系統，圖1為功率單元的基本結構和串聯示意圖（注：本文中的附圖均摘自原始專利說明書，為維持表述的準確性，沒有將其翻譯成中文）。圖中，對輸出高壓的控制可以通過可控整流橋控制逆變系統中部分模塊的直流電壓實現，也可以通過對部分模塊的逆變側進行PWM控制來實現。該發明提出了單元串聯多電平變頻器的基本框架。 　　圖1是這種控制方法的示例。上面的功率單元采用可控整流橋調整直流母線電壓，輸出頻率則通過逆變側控制；下面的功率單元采用不可控整流、用逆變側PWM控制輸出電壓的幅值和頻率。圖2為按圖1方式串聯后的輸出電壓波形。 圖1 功率單元結構和串聯方式 圖2 串聯后的輸出電壓 　　圖3為采用功率單元串聯形成三相高壓輸出的組合示意圖，用于高壓電動機的變頻調速。發明者還非常有創意地提出另外一種單元串聯結構，如圖4所示，同樣可以實現三相高壓輸出，由于其功率單元的利用率不高，實用意義不大，但足以看出發明者的創新意識。西屋公司的發明解決了變頻器要求高壓輸出而器件耐壓不夠的矛盾，避免了常規器件直接串聯時存在的均壓問題，奠定了單元串聯多電平變頻器的基礎。 圖3 單元串聯多電平高壓變頻器拓撲 圖4 另一種單元串聯方式 　　美國羅賓康公司于1994年3月申請了專利號為5625545的美國專利。該發明提出了輸入采用多重化移相變壓器和輸出采用多電平移相式PWM的單元串聯多電平方案，如圖5所示。圖6為功率單元的組成結構。輸入變壓器采用延邊三角形接法，變壓器付邊互差一定的電角度，以達到抑制輸入諧波電流的目的。輸出采用多電平移相式PWM，同一相中不同串聯單元的三角載波互差一定的相位，以增加輸出電壓臺階，提高等效開關頻率，改善輸出電壓波形。圖7為移相式PWM原理。該發明提出的單元串聯多電平高壓變頻器方案成為目前市場上主流的單元串聯多電平方案。同時，該發明還最早提出了功率單元旁路的概念。 圖5 單元串聯式多電平高壓變頻器方案 圖6 功率單元結構 圖7 多電平移相式PWM 　　1998年5月，羅賓康公司又提出了中心點偏移式功率單元旁路的方法，在故障功率單元被旁路后，通過調節三相輸出電壓的之間的相位，保證輸出線電壓仍保持三相對稱，電機能正常運行，同時最大程度提高了電壓利用率。該技術使單元串聯多電平變頻器的可靠性得到很大提高。 圖8 功率單元旁路結構 圖9 中心點偏移功率單元旁路原理 　　羅賓康公司的創造性貢獻是：率先引入多重化移相變壓器和多電平移相式PWM等概念，解決了輸入諧波、輸出諧波、dU/dt、共模電壓和可靠性等問題，于1994年推出了目前獲得大面積推廣的全球第一臺單元串聯式多電平高壓變頻器，在該技術領域一直處于領先地位，對這種技術方案的推廣起了很大的促進作用。 3 單元串聯式多電平高壓變頻器現狀 　　由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年發展迅速，逐漸成為高壓變頻調速的主流方案。 　　由于西屋電氣和羅賓康公司的二個發明僅在美國進行專利申請，所以相應的技術目前在我國屬于公知技術。 　　除了羅賓康公司外，國外還有東芝，三菱，富士等廠家生產單元串聯式多電平高壓變頻器。國內也有以利德華福，東方日立為代表的眾多生產廠家。驅動電動機的功率在3500kW以下，全部為空冷。此外，也有采用三電平功率單元的方案，還有采用常規IGBT直接串聯（帶動態均壓）的產品。 　　我國高壓電動機多為6kV和10kV等級，目前，三電平變頻器受到器件耐壓的限制，尚難以實現這個等級的直接高壓輸出，而單元串聯式的輸出電壓能夠達到10kV甚至更高，所以在我國得到廣泛應用，尤其在風機水泵等節能領域，幾乎已經形成壟斷的態勢。 　　常規的單元串聯式多電平變頻器采用二極管整流，無法實現能量回饋功能，不適用于軋機、吊機等要求四象限運行的場合，這是這種高壓變頻器存在的缺點。對要求四象限應用的場合，目前還是以帶AFE的三電平變頻器和傳統的交交變頻器為主。 　　功率單元旁路方案大大提高了單元串聯式多電平變頻器的可靠性，從很大程度上彌補了元器件個數多導致可靠性降低的問題。 單元串連結構決定了這類變頻器很容易實現模塊化設計，適合大批量生產，形成產業化規模。 　　功率單元采用H橋結構已廣為接受。也有個別國外廠家在功率單元內部采用三電平結構，以減少變頻器中功率單元的個數。但這將導致單元結構和控制復雜性增加（如三電平PWM和電容中心點電位波動問題），效果并不理想。 　　目前，國際上該技術的發展已經比較成熟，輸出電壓等級達到14.4KV。最大容量是羅賓康公司為某液化天然氣壓縮站項目提供的用于60000kW同步電動機的變頻器，輸出電壓為7200V,輸出頻率最高達100HZ，采取水冷技術。 　　國際先進廠家已采用無速度傳感器矢量控制和速度閉環矢量控制。能驅動同步電動機和多繞組電動機。能實現變頻驅動和電網直接驅動的無擾切換（同步切換）。羅賓康公司2001年推出的無速度傳感器矢量控制高壓變頻器可達到的技術指標為：調速范圍100:1，穩態轉速精度0.5%，轉矩線性度7%，轉矩響應750rad/s，轉速響應20rad/s。國內目前大部分產品為V/F控制，無速度傳感器矢量控制的產品正在開發中。 4 單元串聯式多電平高壓變頻器發展展望 　　單元串聯式多電平變頻器的主電路拓撲和總體控制策略已基本成熟，出于對可靠性、壽命、成本、控制性能等幾方面的要求，在以下幾個方面會有一定的發展。 4.1 冗余設計 　　高壓變頻器使用場合的重要性決定了其對可靠性有很高的要求。冗余設計可以彌補多電平變頻器元件數量較多所產生的可靠性問題，大大提高其MTBF。冗余設計包括主回路的冗余設計和控制系統的冗余設計。 　　主回路的冗余設計主要采用功率單元旁路技術和采用多臺變頻器給多相電機供電的方式。功率單元旁路技術已經比較成熟并得到廣泛應用?？紤]到大部分電機為三相電機，在超容量應用領域，采用多臺變頻器并聯的技術方案會有一定優勢，在擴大容量的同時還能實現冗余設計。 4.2 無速度傳感器矢量控制 　　無速度傳感器矢量控制技術能在基本不增加硬件成本的情況下，大大提高變頻器的性能，拓展變頻器的應用領域。即使用在風機水泵等穩態和動態要求相對較低的負載場合，無速度傳感器矢量控制具有的轉矩限幅、快速轉速跟蹤再起動等功能有效地防止加速過程的過電流跳機和減速過程中的過電壓跳機和其它不正常的停機現象，對于保證變頻器的可靠運行有非常重要的意義。 　　單元串聯式多電平高壓變頻器由于輸出電壓電流波形比較理想，相對低壓變頻器而言，實現無速度傳感器矢量控制的難度有所降低。電機參數不準和時變是影響無速度傳感器矢量控制性能的重要因素，要求控制算法中盡量避開敏感的參數或增加電機參數在線辨識和控制系統參數修正功能，以提高系統的魯棒性。 4.3 高耐壓功率器件應用 　　 　　目前，單元串聯式多電平高壓變頻器基本采用低壓IGBT(1700V以下)作為主要功率器件，功率單元的額定輸出交流電壓通常在750V以下，因而導致變頻器所用元器件數量多于其它類型的變頻器?，F在也有公司采用3300V的IGBT作為功率器件。以后也可能考慮采用IGCT等耐壓更高的功率器件，以簡化主電路結構，提高可靠性。當然，采用高耐壓器件后帶來的整體成本增加和由于串聯單元個數減少引起的波形質量下降必須綜合考慮。 4.4 大容量化 　　隨著應用領域的擴展和相關技術及工藝的進步，高壓變頻器容量逐步增大。冷卻問題隨著容量的增大變得十分重要。在大容量領域，水冷技術是比較合適的選擇，國外水冷技術的變頻器輸出電流可達到1400A。水冷技術對結構設計和熱設計提出了很高的要求，同時對基礎制造業也提出了挑戰，國內目前制造水冷變頻器的主要瓶頸在于水冷變壓器和水冷散熱器，連接件等配套工業。水冷高壓變頻器的水循環系統比較復雜，冷卻介質一般采用純凈水加一定比例的防凍劑，如乙二醇。水循環系統必須有溫度，壓力，流量，導電率的監測和控制，需要安裝去離子裝置和水位調節儲水罐等附件。水冷方式的優點是散熱效果好，噪音小，缺點是成本高，維護復雜。 　　目前國際范圍內690V等級空冷功率單元成熟產品的最大電流為600A左右。上海艾帕電力電子有限公司正在利用專利技術開發1000A的空冷功率單元，用于超大容量空冷高壓變頻器。 在某些大容量應用領域，也可以采用多繞組電動機，用多臺變頻器分別供電，協調控制，以達到擴展容量和冗余設計的目的。 4.5 能量回饋功能 　　常規的單元串聯式多電平變頻器采用二極管整流，能量無法向電網回饋，導致變頻器制動能力非常弱，只能應用于風機、水泵等負載，應用范圍受到很大限制。羅賓康公司2000年8月申請了美國專利，采用AFE功率單元實現單元串聯式多電平變頻器的四象限運行, 而且輸入功率因數可調，其結構如圖10所示。這種結構的缺點是成本較高，PWM整流產生的損耗會引起系統效率下降。也可采用在輸入二極管整流器處反并聯可控硅逆變橋的方式實現能量回饋，采用這種方案成本相對較低，缺點是可靠性不高。 圖10 采用AFE結構的功率單元 4.6 高速電動機應用 　　高速直接電驅動時不需要增速器，具有效率高、維護簡單、可靠性好等優點，越來越受到重視，代替傳統的電機加增速器方式，特別在天然氣管道輸送行業有很好的應用前景。采用高速電動機驅動要求變頻器能輸出較高的頻率，譬如300Hz，這對高壓變頻器的諸多方面，比如電壓環的采樣頻率、PWM調制技術、高輸出頻率下的波形失真，逆變電路的損耗等提出了一些新課題。 4.7 高可靠鋁電解電容和金屬化安全膜電容器應用 　　目前單元串聯式多電平變頻器中普遍采用鋁電解電容作為濾波電容。由于電解電容的額定電壓不高，其標稱電壓通常不超過500V,在實際使用中經常需要2組或3組電容串聯以滿足直流母線電壓的要求，這時還需要均壓電阻。在電容器串聯使用時，電容器的漏電流成為一個非常重要的指標，較小的漏電流有助于減少均壓電阻的功率，降低損耗和成本。電解電容存在的主要問題是壽命隨著運行溫度的上升衰減相對較快，在設計時要特別考慮溫度問題。其優點是價格相對便宜，技術成熟。以江海電容器為代表的國產電容器已經達到國際先進水平。 　　薄膜電容電壓較高，單個電容可達幾千伏，一般不需要串聯，在直母線電壓較高的場合應用有一定優勢。小容量的薄膜電容一般采用干式，大容量的采用油浸或充氣式。作為逆變器直流環節濾波用的薄膜電容一般采用金屬化安全膜，具有自愈功能，壽命較長而且耐高溫，缺點是價格較貴，體積比同容量電解電容大不少。薄膜電容對長期過電壓比較敏感，會導致壽命下降，在設計時要保證足夠的電壓裕量。 4.8 多電平PWM 　　目前單元串聯式多電平變頻器基本采用SPWM，通過參考電壓波和三角載波比較的方法實現PWM控制，可注入三次諧波進行馬鞍形調制以提高輸出電壓。具體實現時采用大規模可編程邏輯器件或其它方式。國際上有很多學者參照二電平和三電平空間電壓矢量控制的方法研究多電平變頻器的空間電壓矢量控制方法，取得一定進展。當電平數較多時，由于算法過于復雜，目前在實際產品中還沒有應用。 　　也有采用所謂的“堆波”技術，利用多個脈寬不同的矩形波進行輸出波形疊加，但在實際產品應用中存在每個功率單元出力不均衡，輸入諧波抵消效果不理想，低頻輸出時部分單元由于二極管長時間續流運行導致直流母線過電壓等缺點。 　　也有采用不同電壓等級的功率單元串聯，經過組合，在相同個數功率單元的前提下實現更多電平的輸出，目前僅停留于理論階段，現實意義不大。 5 結束語 　　自從1994年推出第一臺單元串聯式多電平高壓變頻器后，經過十多年的發展，該技術已基本成熟，并且得到廣泛應用。單元串聯式多電平高壓變頻器的基本結構已經成熟，國外先進廠家主要在大容量，高性能，冗余設計，可靠性等方面進行研究和產品升級。我國該技術的研究和產業化也緊跟國際潮流，在產業化方面僅次于美國，和日本相比各有優劣，總體處于先進水平。國內電力，市政，冶金，石化等行業對高壓變頻器需求很大，而且每年增長迅速，給我國高壓變頻器產業化創造了很好的市場條件。目前，國內主要配套產業，如多脈沖整流變壓器，大容量電解電容器，散熱器，高壓軟電纜等基本成熟。目前主要的瓶頸是技術研發環節，尤其在大容量和高性能領域和國際領先水平相比有較大差距。隨著電力電子和電氣傳動技術的進步，國內企業核心研發能力的增強，未來幾年我國高壓變頻器產業有望進入一個高速發展期。 參考文獻： [1] Hammond P, Medium Voltage PWM Drive and Method, US Patent 4674024 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