高压大功率变频器拓扑结构研究

【前言】高压大功率变频器拓扑结构研究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。QIU Feng1, FENG Jiang-hua2, HU Jia-xi2 (1.School of Electrical and Information, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412001, China; 2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute Co. Ltd., Zhuzhou 412001, China) Abstract： The topological...

摘 要：对几种常用的高压大功率变频器的拓扑结构进行了对比研究，着重介绍了近年来国内外在高压大功率变频器拓扑结构研究方面的最新成果，给出了高压大功率变频技术和多电平电路拓扑结构的发展趋势。

关键词：高压变频器； 拓扑结构； 混合级联型； 模块化； 多电平变换电路

中图分类号：TN323 文献标识码：A

文章编号：2095-1302(2011)10-0062-05

Topological Structure of Converters with High-pressure and High-power

QIU Feng1, FENG Jiang-hua2, HU Jia-xi2

(1.School of Electrical and Information, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412001, China;

2. CSR Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute Co. Ltd., Zhuzhou 412001, China)

Abstract： The topological structure of several commonly used converters with high-pressure and high-power are compared. The latest research results about topological structure of converters with high-pressure and high-power at home and abroad in recent years are introduced. The development trends of high-pressure high-power inverter technology and multi-level circuit topology structure are proposed.

Keywords： high-voltage converter; topology; hybrid cascade-type; modular; multi-level conversion circuit

0 引 言

高压变频器通常指供电电压在3 kV的大功率变频器，目前实际应用的主要电压等级有3 kV(3.3 kV)、6 kV(6.6 kV、6.9 kV)和10 kV 。在能源危机和环境污染日益严重的社会发展中，各国政府都开始增强节能减排的意识，重视节能应用，我国“十一五”与“十二五”规划均提出节约能源的重要性；同时能源价格的日益增长，让许多重工业领域企业更加重视高压电气装备的长远投资。理论分析结果以及实际应用的状况，均表明高压变频器在节能改造方面具有巨大的潜力，有着广阔的发展前景。

到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样有近乎统一的拓扑结构。起初，高压变频调速采用高-低-高的方式，即经过升降压变压器，实质上依然是低压变频器。然后出现了高-高直接式中压变频器。根据有无中间直流环节，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。由于交-交变频器调速范围窄，需要无功补偿和滤波装置，造价成本很高且占地面积大，所以逐渐被交-直-交中压变频器所代替。对于交-直-交变频器，根据直流环节结构的不同，可以划分为电流源型变频器和电压源型变频器，电流源型中压变频器的中间滤波环节采用的是大容量电感，而电压源型中压变频器中间滤波器采用的是大容量电容。由于电流源型中压变频器对电网电压波动和负载特性非常敏感，现场调试非常麻烦，因而使其无法像电压源型变频器一样普及应用。

本文所研究的高压变频器属于交-直-交电压型多电平变频器。本文将对国内外几种主要的高压大功率变频器主电路拓扑结构进行综述和研究，并在此基础上，从进一步提高系统效率的角度出发，对高压变频器技术的发展方向加以探讨。

1 二极管箝位型变换电路

日本学者A.Nabae于80年代初提出了中点箝位型PWM逆变电路结构，该电路又称二极管箝位多电平变换电路。图1是二极管箝位型五电平变换器的单相电路，该电路的每相桥臂有8个开关器件S1～S8串联，每4个开关器件同时处于导通或关断状态，其中(S1，S5)、(S2，S6)、(S3，S7)、(S4，S8)为互补工作的开关对，也即当其中的一个开关导通时，另一个关断。对于n电平的二极管箝位型变换拓扑，每个桥臂需要(n-1)个直流分压电容，2(n-1)个主开关器件，(n-1)(n-2)个箝位二极管。通过组合3个相同的单臂电路，并利用相同的分压电容，就可以很容易地得到三相电路。

在普通二极管箝位型多电平变换电路中，箝位二极管的阻断电压与开关器件的承受电压相同，变频器电平数越多，串联的箝位二极管器件就越多。例如在图1(a)中， VDc2 、VDc5由3个相同的二极管串联；VDc3和VDc4由两个相同的二极管串联。由于二极管特性参数不一致会导致所串联的二级管电压存在偏差，而偏差太大会造成二极管器件损坏，因而需要均压措施和RC吸收电路，但这又导致系统体积庞大，成本增加。为了解决这一问题，本文提出了一种改进型拓扑结构［1］，如图1(b)所示。这种拓扑所用的功率器件数量和传统拓扑一样，通过改变箝位二极管直接的连接关系，直接和间接地将二极管的电压箝在单电平电压之内，从而使得阻断电压为每个电容上的电压，在电平数较多的情况下，该电路比普通二极管箝位电路具有较大的优越性。

随电平数的增加，箝位二极管的数量以电平数二次方的规律递增，所以当电平数较高时，就会需要大量的箝位二极管，从而使系统在布局上难以实现。目前，应用于大容量的实用化拓扑，基本上都是二极管箝位型三电平逆变器，因为该逆变器只有两个直流分压电容，它的中点电位控制相对简单。该类结构若要进一步发展，其研究的重点将是如何通过软硬件结合的方式控制中点电容电压平衡，从而实现更高电压等级的应用。目前，此类结构最有可能得到实际应用的是“背靠背”式多电平结构，该结构不仅可以控制电容中点电压平衡，提高电压等级，而且还可以实现电机的四象限运行。

2 飞跨电容箝位型变换电路

飞跨电容箝位型拓扑结构最早是由T.A.Meynard和H.Foch在1992年的PESC会议上提出的。图2所示是一个飞跨电容箝位型五电平逆变器的单相电路。由图2可见，飞跨电容箝位型五电平主电路只是用飞跨电容取代箝位二极管，其工作原理与二极管箝位电路相似。这种拓扑结构虽然省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。不过，由于电容的引进，电压合成的选择增多，开关状态的选择更加灵活，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。对于一个n电平的飞跨电容型电路，每个桥臂需要2(n-1)个开关器件，(n-1)个直流分压电容以及(n-1)(n-2)/2个箝位电容。

这种变换电路的优点是开关方式灵活、对功率器件保护能力较强，它既能控制有功功率，又能控制无功功率，适合高压直流输电系统等，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低，对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难，通常生产应用一般不采用该电路结构。为了用较少的飞跨电容实现较多的电平输出，文献［2］提出了一种全二进制组合的浮动电压源逆变器拓扑。在该拓扑中，通过改变飞跨电容的电压比，可使每个开关状态对应一个输出电平。

3 H桥式级联型变换电路

在独立直流电源的级联型变换电路中，最基本的是H桥串联结构，图3所示是一种H桥式级联型五电平逆变器三相电路。这种电路不需要大量箝位二极管和飞跨电容，但每个基本单元都需要用一个独立的直流电源来实现箝位功能，一般可通过多输出绕组变压器经整流后实现。

通过单相电压的计算可知，当其电路接成三相时，可以达到10 kV以上的输出，输出的电压波形更接近正弦，可不用输出滤波器，同时网侧电流谐波较小。在控制方面不存在电容电压动态控制问题，在实现上相对比较容易。

虽然使用单独的直流电源可使电路的各单元彼此隔离，解决单元级联时的动态均压和电压箱位问题，但是输出电压等级越高，串联功率单元数也越多，这样，所需的移相隔离变压器的副边绕组也很多，而移相隔离变压器体积大、接线复杂，这会使制造难度增加，成本也增加很多，系统结构将变得复杂。为此，越来越多的文献都对H桥级联型拓扑进行改进。

在1998年的IEEE APEC会议上，M.D.Manjrekar等人提出了混合七电平逆变器的拓扑结构。该结构对不同单元采用不同的直流电压，可以用较少的级联单元得到较多的输出电平。图4给出混合七电平级联型逆变器的三相电路，电路中电压高的H桥单元功率开关元件采用IGCT，电压低的H桥单元则采用IGBT，从而形成不对称级联型多电平拓扑。而且耐压值较高、开关频率较低的IGCT功率单元采用切换频率为输出电压的基波频率；耐压值较低、开关频率较高的IGBT功率单元采用PWM调制，这样既可满足功率要求，又可减小谐波。这种拓扑结构综合利用了这两种功率器件的高电压阻断能力和快速开关能力，同其他类型多电平逆变器相比，在输出相同电平数的情况下，其需要的功率器件最少。

如果将图4中具有公共端的三组H桥逆变电路用三电平NPC逆变器代替，则可构成图5所示的多电平拓扑。在该拓扑中，一个三电平单相逆变桥与一个两电平H桥逆变电路串联组成一相，前者输出为五电平，可提供主要的基波电压和大部分输出功率，称为主逆变桥。后者输出为三电平，可提供辅助的改善波形的电压和小部分输出功率，称为辅助逆变电路。从逆变器的开关模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图3所示的拓扑结构是等效的，因此，将该拓扑结构的逆变器称为5/3主从式混合多电平逆变器［3］。分析表明，这种改进的H桥级联多电平拓扑所使用的器件数量比其他类型多电平逆变器减少了1/3［4］。此外，H桥结构的进一步发展还可降低成本，提高效率(例如加入储能单元等混合拓扑结构)。

4 直接串联式变换电路

事实上，串并联在一起的各个器件，可看作单个器件使用，其控制也是完全相同的。从图6所示的直接串联IGBT中压变频器主电路可以看出，电网电压经过高压二极管整流和电容滤波后，再经过逆变器进行逆变，然后通过适当的滤波器，就可简单易行的实现高压输出。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器电路拓扑、控制策略和控制方法。但器件在串联使用时，由于各器件的动态电阻和极间电容不同，故会存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R和RC的均压措施，也会使电路复杂且损耗增加；此外，器件的串联对驱动电路的要求也会大大提高，故要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则，由于各器件开断时间不一致，承受电压不均，可能会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。

5 模块化多电平变换电路

随着电平数的增多，箝位型拓扑结构所需的半导体器件的数量急剧增加，电容电压不容易平衡，需采用复杂的电压控制策略，但这会限制这类拓扑的应用领域和范围。H桥型级联多电平变频器所需的半导体器件数量明显少于中点箝位型拓扑结构，但应用在有功功率变换的场合时，需要多个独立直流电源，这又限制了其在一些领域的应用。为了解决上述问题，本文提出了一种新的拓扑结构：模块组合多电平变频器(Modular Multilevel Converter:以下简称MMC)。

MMC按组成电路拓扑结构的不同可分为三种拓扑结构：第一种是星型模块化多电平变频器的拓扑，其结构如图7(a)，实际上该电路就是H桥级联型多电平变频器；第二种是三角型模块化多电平变频器的拓扑，其结构如图7(b)；第三种是模块化多电平变频器的拓扑，其电路结构如图8所示，该结构［5］是SIEMENS公司提出的，其中，第一种和第二种结构都可以实现能量的变换，即将模块直流侧能量传送给交流电网，但各个子模块直流侧需要独立的直流电源，而这两类拓扑结构均不存在公共的直流侧，因而不适用于需要统一直流侧的变频器应用场合。

在图8中，n+1电平模块化变频器每相由2n个子模块SM(Sub-Modular)和2个电抗器组成，SM的结构可以是单相H桥结构或单相半H桥结构。一个子模块共有3种开关状态：第一种是2个IGBT(T1、T2)均关闭；第二种是T1导通，T2关闭，这时SM输出电压为电容电压,称为投入状态；第三种是T1关闭，T2导通，这时SM输出电压为0，称为切除状态。

这样，可以通过触发来控制SM的输出电压。出于模块化设计和制造的目的,各子模块的额定值相同，输入侧与输出侧的6个桥臂电抗值也相等。MMC正常工作有2个条件：

直流电压的维持，对图8来说就是3个相单元中处于投入状态的SM数都相等且不变，并使UA=UB=UC；

三相交流电压的输出调节，就是通过对3个相单元上、下桥臂中处于投入状态的SM数进行分配而实现对变频器输出电压的调节。

MMC可以实现整流和逆变状态，并进行四象限运行，具有严格的模块化结构和良好的控制特性，适用于高压大功率领域。MMC在获得多电平输出的同时，还能有效降低开关器件的开关频率，不仅减少了谐波和高频干扰，同时也可降低开关损耗。其次，MMC允许使用标准化元件，可以在采用相同器件的前提下向不同的功率和电压等级扩展，因而无需使用变压器就可应用于高压直流输电、新能源并网、牵引供电等中高压大功率的场合。最后，MMC易于模块化组合，而且设计灵活，利于普及。

6 结 论

本文对目前几种常见的高压大功率变频器的拓扑结构特点进行了分析。目前二极管箝位型逆变器的拓扑结构已经有了很成熟的应用，但是，由于其母线中点电容电压难以控制平衡，因此，该结构仅可使用于7电平以下的电路。现在，高压变频器应用领域中广泛采用H桥级联结构，该结构容易实现高电压，且在输入侧采用了特殊制造的移相变压器，可以避免对电网的谐波污染。而与此同时，模块化多电平变频器的引入，也开阔了高压变频器的拓扑结构。从这些结构中可以看出各种多电平电路的拓扑结构都是向着高效率、高性能、高电压、高可靠性、低成本等方向发展，主要目的是使高压变频器变得更加实用。

参 考 文 献

［1］何湘宁.多电平变换器的理论和应用技术［M］.北京:机械工业出版社,2006.

［2］KOU Xiaomin, CORZINE Keth A. Full binary combination scheme for floating voltage source multilevel inverters ［J］. IEEE Trans. on Power Electronics, 2002, 17(6): 891-897.

［3］丁凯,邹云屏,王展,等.一种适用于高压大功率的新型混合二极管箝位级联多电平变换器［J］.中国电机工程学报,2004,24(9):62-67.

［4］费万民,吕征宇,姚文熙,等.主从式级联多电平变换器及其控制方法的研究［J］.电工技术学报,2004(19):61-66.

［5］JOERG D, HARTMUT H,DIETMAR R. Novel voltage-sourced converters for HVDC and FACTS applications ［J］. Siemens AG, Power Transmission and Distribution, 2007: 314-321.

作者简介：

邱 凤 女，1987年出生，山东枣庄人，硕士研究生。主要从事电力电子与电力传动研究。