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高性能的三电平大容量高压变频器
杨志勇，冯骥
国电南京自动化股份有限公司 江苏省南京市
210003
摘要：本文首先分析比较了几种不同拓扑形式高压变频器的各自电路结构与技术优缺点；接着重点介绍了采用三电平拓扑的高压变频器的技术特点；最后结合一台6kV、550kW三电平大容量高压变频器在灰渣泵上的运行数据，对高性能三电平大容量高压变频器的性能和应用前景做了展望。
关键词：三电平
高压变频器 大容量
高性能
一、高压大功率变频器应用背景
在国内外能源形势越来越严重的现状下，如何保护资源和减少能源消耗成为科研和工业界的当务之急。实践证明，对工业风机、泵、压缩机等负载使用变频器改造是一种行之有效的节能方式。据统计（1），我国工业风机、泵和压缩机的总装机容量达1.1～1.6亿kW，其用电量占全国总用电量的约30％～40％；如果将风机、水泵和压缩机总装机容量的20％进行变频调速改造，则全国工业可改造的总容量约为22800MW。其中40％为中电压中大容量设备，约为9100MW；60％为低压中小容量设备，约为13700MW。如果按年平均运行4000h，节电率20％计算，则年节电潜力为182亿kWh。目前我国采用变频调速技术的比重很小，但是已经采用的单位大多取得了很好的节电效益，因此，变频调速技术在我国的应用有着广阔的前景，也越来越得到政府和企业的高度重视。
节能效果显著的变频器之所以推广速度缓慢，一方面是因为前些年变频器价格居高不下（2000元/kW）；另一方面是因为应用变频器以后，会带来一些新的问题，如电网谐波污染、电机谐波损耗发热、电机绝缘老化等等。前者，由于近几年有更多的变频器生产制造厂家加入，变频器价格已经大大降低（约1000元/kW），达到用户可以承受的地步；后者，随着技术的进步，通过采用三电平拓扑结构，可以有效地降低变频器的谐波含量，降低其di/dt、dv/dt以及对电网的谐波污染。国电南京自动化股份有限公司和清华大学电机系通过多年的攻关，已成功联合研制出高性能的三电平大容量高压变频器，并已有多台应用业绩。
二、高压大功率变频器主要技术方案
目前国际上流行的高压大功率变频器主要有以下几种方案（2）：
1、
以罗宾康公司为代表的H桥方案
此方案输入整流部分采用多相多重叠整流技术，逆变部分采用具有独立电源的单相桥式逆变器叠加，结构上采用功率单元模块化技术。它的优点是：具有良好的输入输出电压电流波形；易于实现冗余设计等。它的缺点是：使用功率器件数目过多；无法实现能量回馈和四象限运行等。
2、
以罗克韦尔公司为代表的电流源方案
此方案采用电流源型拓扑，实现了直接交－直－交高压变频。它的优点是：易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行等。它的缺点是：变频器性能与电机参数有关，不易实现多机联动等。
3、
以西门子、ABB公司为代表的三电平方案
该方案逆变部分采用三电平结构，输出线电压为五电平。它的优点是：在最少器件数目的条件下，有效的解决了电力电子器件耐压不足的问题；变频器输出多级电压阶梯，减少了谐波对电机绝缘的冲击；易于实现能量回馈和四象限运行等。它的缺点是：与H桥方案比较，其输入输出谐波仍偏大。
三、三电平大容量高压变频器技术特点
3.1
三电平工作原理
图一是国电南京自动化股份有限公司设计使用的三电平大容量高压变频器的主电路，逆变部分使用了新型功率半导体器件IGCT，其内部集成有反并联续流二极管；为了减小对电网的冲击，整流电路采用12脉冲二极管整流结构；该拓扑还示出了整流阻容吸收电路、保护用IGCT电路和di/dt限制电路等单元。
图1
国电南京自动化股份有限公司的三电平大容量高压变频器主电路
以图1为例对三电平变频器工作原理做说明（3）。其逆变桥每相均有三个基本电平，以U相为例有下面三个开关模态：
开关模态1、当Su1、Su2导通，Su3、Su4关断时，U相电平为|Vc1|。此时Su3、Su4共同承受|Vc1|＋|Vc2|的电压，由于Su3、Su4具有相同的电气参数，它们各自承受的电压为（|Vc1|＋|Vc2|）/2，钳位二极管Du1承受的电压为|Vc1|，Du1承受的电压为|Vc2|－（|Vc1|＋|Vc2|）/2＝（|Vc2|－|Vc1|）/2。
开关模态2、当Su3、Su4导通，Su1、Su2关断时，U相电平为－|Vc2|。此时Su1、Su2共同承受|Vc1|＋|Vc2|的电压，由于Su1、Su2具有相同的电气参数，它们各自承受的电压为（|Vc1|＋|Vc2|）/2，钳位二极管Du2承受的电压为|Vc2|，Du1承受的电压为（|Vc1|＋|Vc2|）/2－|Vc2|＝（|Vc1|－|Vc2|）/2。
开关模态3、当Su2、Su3导通，Su1、Su4关断时，U相为0电平。此时Su1承受的电压为|Vc1|，
Su4承受的电压为|Vc2|。当U相电流为从直流母线电容流向负载时，Su2、Du1导通，Su3、Du2关断；U相电流为从负载流向直流母线电容时，Su3、Du2导通，Su2、Du1关断，这两种情况下，Su2、Su3、Du1、Du2这四个器件承受的电压均为0。
上述三种开关模态分别示于图2、图3和图4。当两个直流母线电容电压完全相同时，即有|Vc1|＝|Vc2|＝|Vdc|/2，则从上面的分析可知，逆变桥每相的三个电平分别为：＋|Vdc|/2、0、－|Vdc|/2，逆变桥线线之间具有五个电平＋|Vdc|、＋|Vdc|/2、0、－|Vdc|/2、－|Vdc|。
3.2
三电平特定消谐矢量控制（SHE-SV）
该三电平大容量高压变频器使用三电平特定消谐矢量控制算法（SHE-SV），其原理为：1）三电平变频器共有 个电压矢量；2）根据控制系统给出的电压给定值，选取适当的开关状态；3）通过开关时刻的优化选择，消除选定的低次谐波。该算法具有以下显著优点：1）在同样的开关频率下，可以产生最优的输出电压波形，从而减小电流纹波和电动机的转矩脉动，从整体上提高控制性能；2）在同样波形质量的情况下，利用三电平特定消谐矢量控制算法（SHE-SV）可以得到最低的开关频率，从而有效降低开关损耗，提高变频器系统效率；3）三电平特定消谐矢量控制算法（SHE-SV）优化了开关矢量，减小交流侧电流的总谐波畸变率。
使用该算法的变频器输出电压谐波含量<1.5％，电流谐波含量<2％。图5是该算法的矢量分布图，图6是变频器输出电压电流波形，图7是对图6做的FFT分析。
3.3集成门极换向晶闸管（IGCT）
图8是该变频器的核心器件：集成门极换向晶闸管IGCT，自1996年IGCT问世后，因其固有的诸多优点，迅速成为电力电子技术领域研究热点，并成功应用与高压大功率变频调速系统及相关领域。IGCT具有开关速度快、光纤驱动、通态压降低、开关损耗低、平均无故障时间明显高于IGBT、GTO等性能，因此使用IGCT作为主要开关器件的三电平大容量高压变频器具有可靠性高、使用寿命长、电磁兼容性强，系统效率高等特点。
四、三电平大容量高压变频器在节能领域的应用
风机、泵类平方转矩负载的流量、压力、轴功率与转速的关系是：流量∝转速、压力∝转速2、轴功率∝转速3。因此，当流量需求减为一半时，仅需要额定功率的12.5％，节能87.5％。
根据国电南京自动化股份有限公司一台6kV、550kW三电平大容量高压变频器在华电富拉尔基发电总厂综合泵站灰渣泵的连续运行情况，在未采用变频调速技术以前，灰渣泵需要频繁起停，既加大了能源的消耗也影响了电机的使用寿命。采用变频调速技术以后，该灰渣泵稳定运行在40－50Hz之间，节能约30％；变频改造前运行人员需要频繁起停灰渣泵，变频改造后，灰水水位稳定在2.3米（改造前灰水水位在1.4米到3.2米之间波动），减少了运行人员的工作量。图9所示为该灰渣泵运行现场，图10所示为该三电平大容量高压变频器现场调试情况。
五、结论
从上面的分析可以看出，三电平大容量高压变频器与其他拓扑的高压大功率变频器相比由于使用了可靠性高的IGCT器件、且器件数目少，使用了输出谐波含量少的三电平拓扑，使用了三电平特定消谐矢量控制算法（SHE-SV），因此变频器系统整体具有器件数目少、可靠性高、寿命长、输出谐波小、系统发热低等优点。对于石油、化工、电力系统、煤矿等对设备的可靠性、安全性要求很高的应用场合，采用可靠性高、输出谐波含量较低的三电平大容量高压变频器是一种很好的选择。
参考文献：
1、
中国电机系统节能项目组，中国电机系统能源效率与市场潜力分析，机械工业出版社，2001.11
2、
吴忠智、吴加林，中（高）压大功率变频器应用手册
韦立祥，双PWM三电平异步电机磁链定向调速系统研究，清华大学博士论文，2000
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