大容量多电平变换器拓扑_现状与进展_李永东

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1、电机系统节能大容量多电平变换器拓扑一现状与进展李永东饶建业（清华大学电力电子研究所，北京100084）摘要 自20世纪80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大容量多电平变换器得到广 泛应用并日趋高性能化。大容量一般是指功率等级在数百千瓦以上。实现大容量变换的途径有高 电压、大电流，在实际应用中以高电压大容量更为典型，而其中多电平变换技术则是实现高电压 大容量的关键。本文对多电平变换技术的发展进行了回顾、比较以及总结，同时，还着重介绍了 近几年国内外在这一领域研究的最新成果。基于此，对大容量多电平变换技术的发展趋势进行了 展望，希望对大容量多电平变换技术进一步的研究提供了一个参考。关键词：高

2、性能；多电平变换器；拓扑结构；高效节能The Developme nt of High Performa nee High Power Multilevel Con vertersLi Yongdong Rao Jia nye（Tsinghua University, Beijing 100084）Abstract Since 80s of last cen tury, with the developme nt of power eleetr oni es, high power multilevel eon verters with high performa nee have bee n

3、 widely used. Gen erally speak in g, in order to realize high power, high-voltage an d/or high-eurre nt can be used. In applieati ons, high-voltage high-power teeh no logy is more used, and the key point is multilevel eon verters. This paper summarizes the developme nt of the multilevel eon verters,

4、 and prese nts the rece nt research achieveme nts about the high-voltage multilevel eon verters. Fin ally, some predieti ons of the future developme nt in this area are give n, expect ing to be helpful to the future research work about the high-voltage high-power multilevel eon verters.Key words : h

5、igh performanee ； multilevel eonverters ； topology ； high effieiency电机系统节能电机系统节能1引言我国现有的电力系统容量虽然已经有了很大的 提高，但电力紧张的现象依然严峻，而提高各类用电设备的生产效率和用电效率是解决问题的有效途径。变频调速技术是当今节电、提高产品质量的一 种主要手段。目前，常规电压和中小功率（200kW）的风机和水泵应用变频调速传动技术已经成熟，取 得了很好效果，这类变频器已经产业化。而200kW以上的大中功率传动系统占市场70%以上，节电潜力巨大。我国现有的交流电动机200kW以下是低压380V，200kW

6、 以上电机电压等级多为 6kV 和 10kV。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限 制，传统二电平逆变器的变换装置难以满足高压大 功率电能变换的要求。相比之下，多电平变换器及 其相关技术，具有诸多显著优点，被业界认为在高压大容量领域中具有广阔的应用前景。国内变频器市场的总体状况是，变频器的应用领域相当广阔，几乎涵盖国民经济的各个行业，尤其建材、冶金、食品、机械、造纸、水行业等对变频器的 需求较大，其中冶金行业的应用数量占到11.5%的比重。另外，一些行业设备 OEM成套率很高，行业特 点是使用功率偏小，同一规格使用量巨大，配套厂商 众多，容易形成系列化产品，主要行业有纺织（包括化纤）、暖通与空

7、调、楼宇自控、印刷与包装等，以 上行业变频器的设备成套率相当大，同时也是各品牌变频器厂家争夺的重点所在。国家支柱产业的项目一 般都较大，采用变频器的功率较大，变频器单位价值 较大，行业发展迅速， 变频器使用量巨大， 其前景发 展相当乐观。据调查预测，中国的变频器市场总的潜 在市场应为12001800亿元，目前低压变频器占市 场份额的80%左右，中高压变频器约占市场份额的电机系统节能电机系统节能2008年第9期 电气技朮71994-201ouriron电机系统节能20%。远期中高压变频器市场份额将不断提升至40%左右。目前国内变频器市场销售大约为每年500700万kW，国外品牌占据了绝大部分市场

8、，国产变 频器所占市场份额不超过30 %。在“十五”期间，电力工业投资规模达到8000亿元左右，是国民经济发展的先行行业，为变频器 在行业的应用提供巨大的发展机遇。行业变频器应 用主要集中在风机与泵类应用，呈现为单机功率较 大的特点。国民经济的快速发展和其他行业的技术 进步迫切要求交流变频技术的快速提升。此外，在轧钢、造纸、水泥、煤炭、港口、船舶 等工业领域中广泛使用大中容量交流电机调速系统。 要解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通工 具（电力机车，城市地铁和轻轨），其核心也是高性能、大容量交流电机变频调速技术。大容量交流变频调速已在实际生产应用中取得了良好的效果和显著 的经济效益。下一步

9、的趋势是，交流变频调速技术除 了实现“按需供能”，即在满足电机速度、转矩和动 态响应要求的前提下，尽量减少输入的能量外，仍然 还有进一步节能和提高效率的潜力，这就是将生产机械中的制动能量进行存储再利用或直接回馈电网，实现电机的四象限运行。 为了实现这一目的， 人们对各 种高压变频器的主电路拓扑结构的研究进一步深入。 同时，以DSP为代表的智能控制芯片迅速普及，也 为高压变频调速技术打下了坚实的基础。本文将对国内外最新提岀的大容量变频器主电 路拓扑结构进行综述研究，并在此基础上，从进一 步提高系统效率的角度，对大容量变频器技术的发 展方向加以深入探讨。2传统的多电平变换器结构2.1单一直流电源多

10、电平变换器的发展现状及特点单一直流电源箝位型拓扑是从最初的二极管箝 位型，电容跨接箝位型， 二极管和电容混合箝位型， 后来发展到彭方正综合前面几种箝位型结构，提岀 的通用型结构。从技术上说，箝位型结构实际上可 分为两类：通用型结构（见图1 ）及其各种简化和派生结构2-4。虽然通用型拓扑本身能实现电容电压自平衡5,但所用器件众多，成本太高，同时对各器件和系统 控制可靠性也有较高的要求，因此无法实用，目前 为止只是一个具有理论意义上的拓扑，也许将来构 成这种拓扑的大功率器件实现了集成模块化，以及 价格降低以后，有可能使之实用。图1通用型拓扑结构在通用箝位型拓扑的基础上，国内浙大的何湘 宁教授提出了

11、一种具有冗余功能的多电平拓扑方案 初步设想，图 2是五电平变换器的一相拓扑。这个 拓扑保留了靠近直流母线的两个桥臂的电容串，增 加了两个可控开关。图2具有容错能力的通用型拓扑结构改进采用这种拓扑之后，增加的可控开关不但用于 箝位和平衡作用，在岀现故障的时候，还可以根据 需要来实现所需电平，增加了冗余度，达到了容错 的功能。这个拓扑的优点是不但对中间电平有容错 功能，而且对最高和最低电平也有容错能力，这样 可以在一定程度上保持电平数不变的容错。不过这 个拓扑太过复杂，使用的开关管数目过多，并不是 很实用，而且当最右边的桥臂的开关管岀现故障时， 会使其原有优势不复存在。目前，应用于大容量的实用化拓

12、扑，基本上为典 型的二极管箝位型三电平逆变器，且主要是国外产品， 如ABB的ACS1000、ACS6000，带输岀 RLC滤波器 的高压变频器，Alstom （采用HVIGBT ）、Siemens （采 用 HVIGBT/IGCT ）、ASI - Robicon 也有类似产品7。 2.2独立直流电源多电平变换器的发展现状及特点多电平变换器的主要目的之一是为了采用低耐压 器件输出高压，为了避免器件直接串联带来的动态均 压问题，也可以采用多个电气独立的直流电容分压， 输岀多个台阶的电平，即具有独立直流电源的级联型 变换器。在所有的桥式级联型拓扑中，最基本的是H桥串联结构，图3为这类H桥串联电路的两

13、相结构图。?194-2018电气技Jit 2008年第9期C rlinu Academic Journal Electronbe 卩uhishinu;电机系统节能2008年第9期 电巧技朮9?194-2014 China Academic Jcumal Electronic 九hlinhin巧 Houstfj Al ri匕hki reservehllp;盘*0 H.cnkidiet电机系统节能3.2级联型结构的改进在 1998 年的 IEEE APEC 会议上 M.D.Manjrekar 等人提出了混合 7电平逆变器的拓扑结构10，与传统H桥级联多电平的拓扑结构相似，不同之处在于 采用了不同电

14、压等级的直流电源，以及两种类型的 功率器件 GTO和IGBT，如图6所示。这种拓扑基 本思路是通过特殊”调制方法将两个等级不同的直流电压混合组成 7电平输岀，主要优点是综合利用图3单相H桥串联五电平变换器拓扑结构 这种电路不需要大量箝位二极管和悬浮电容， 但需要多个独立电源，一般通过多输出绕组变压器 整流后实现。在控制方面不存在电容电压动态控制 问题，实现上相对容易。当接成三相时，可以达到 10kV以上的输岀，输岀的电压波形更接近正弦，不用输岀滤波器，同时网侧电流谐波小。这也是目前 惟一能达到6kV以上输岀电压，且已产品化的拓扑。 Robicon公司和国内利德华福等公司均有此类产品。这种H桥串

15、联结构在应用中也有不足之处：由 于输出电压等级越高，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，这使制造难度增 加，成本也增加很多。3混合型多电平变换器结构由于传统的单一直流源多电平变换器在三电平以 上就很难控制电容电压的平衡，而独立直流源多电平 随着级联单元数目的增加，输入变压器的体积和成本 也不断增加。为了克服以上两类多电平结构各自的缺 点，同时，考虑综合利用他们的优点，目前，越来越 多的研究朝着混合型多电平拓扑结构的方向在发展。3.1双端供电式级联型多电平逆变器1989年日本学者Isao Takahash首先提岀了将电机 的定子绕

16、组打开，由两个逆变器从绕组两端分别供电 的拓扑结构，见图4,这种结构能够提供较多的电平数，了两种类型功率器件的高电压阻断能力和快速开关 能力，使得与输岀相同电平数的其他类型多电平逆 变器相比，需要的功率器件最少。分析表明，这种 改进的H桥级联多电平拓扑使用的器件数量是其他 类型多电平逆变器的2/311-12。图5单相H桥串联五电平变换器拓扑结构将图5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，可构成图6(a)所示的多电平 拓扑，由三电平 NPC逆变器的一个桥臂和H桥逆变电路两部分组成。其中三电平 NPC逆变器提供主要的基波电压和大部分输出功率，称之为主逆变桥；H桥逆变电路提供辅

17、助的改善波形的电压和小部分 输出功率，称之为辅助逆变电路。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5所示的拓扑结构是等效的。区别在于三电平 NPC逆变器需要的直流电容少一个，而且只需要一个直流电源 供电，但是增加了 6个箝位二极管。主逆变桥和辅 助逆变电路的输出均为3电平，因此将该拓扑结构的逆变器称为3/3主从式混合多电平逆变器降低开关损耗的同时产生更少的电压、电流谐波9Oflplcvcl inuhiilevizl iinurhrrCl mu I li levelMcilor l.vad图4异步电机开绕组双端供电示意图(a)T(b)6已有的混合型多电平结构2008年第9期 电巧技

18、朮9?194-2014 China Academic Jcumal Electronic 九hlinhin巧 Houstfj Al ri匕hki reservehllp;盘*0 H.cnkidiet电机系统节能电机系统节能2008年第9期电气技朮1171994-2014 China Academic Jcui-nal Electronic Publishing Hcus All rishis reserved, http:电机系统节能2008年第9期电气技朮1171994-2014 China Academic Jcui-nal Electronic Publishing Hcus All r

19、ishis reserved, http:电机系统节能国内华中科大的邹云屏教授对混合级联型逆变 器也有相应研究，将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可构成如图6（b）所示的逆变电路。三电平单相逆变桥部分的输岀为五电 平，H桥逆变电路的输岀为三电平，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13-15。 3.3带储能单元的混合多电平拓扑结构近些年，由于能源危机的逐步加重，人们对于 大功率交流传动系统中能量利用效率方面的要求也 越来越高，不少学者开始研究如何利用多电平单元 进行能量存储及再利用。在轨道交通、轧钢、矿井提升等众多应用领域， 需要大容量交流电机的

20、频繁起制动和加减速运行， 会有大量的能量回馈，传统的方法是采用制动电阻 将其消耗掉，或采用复杂的能量回馈装置。文献16归纳岀一种基本能量存储单元拓扑结构如图7所示，该拓扑由一个多电平变换器和储能电容构成。 当瞬时功率需求较大时，由储能电容提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率。%知眈电匸T |屮燮换霧ry图7已有的混合型多电平结构在储能单元中，存储能量的电容可以选择超级 电容。超级电容充放电过程高度可逆，可进行高效 率（0.850.98）的快速（秒级）充放电。其优点还 包括比功率高、循环寿命长、受温度影响小等。以 前由于超级电容的比能量过低，放电时间太短，价 格昂贵，难以大范围的实用化。随

21、着超级电容技术 的迅速发展及其价格的下降，目前已成为电力机车 和高效储能领域研究的新热点。在多电平储能单元的基础上，根据不同的实际 应用场合，可以组合岀多种混合式的多电平结构， 如图8、图9所示。图8利用无源的三电平 NPC结构储能的主从式变换器图9利用一级无源H桥结构储能的主从式变换器 对于图8所示的用无源的三电平 NPC结构储能 的主从变换器，该结构在传统的H桥级联多电平的基础上，增加了一级的悬浮储能单元，该单元为三 电平NPC结构，可利用其悬浮电容实现制动能量的 存储。当电机在快速制动时，在主逆变器输岀电压 降低的同时，电机的制动能量充入从逆变器的储能 电容中；当电机需要快速起动或运行时

22、，从逆变器 的电容储存的能量可叠加在主逆变器的输出上，通 过对主从变换器输出电压的协调控制实现能量的再 利用。该结构在传统的H桥结构上高电压（610kV ）的同时，可以实现电机的制动能量的动态存 储，达到更高的能量利用率，从而实现节能的目的。在中压（34kV ）电机调速系统中，可将三电 平变换器设计为有源部分，从而简化输入变压器的 结构，如图9所示。该结构在电机的每一相上串连 了一个无源三电平的H桥单元，利用悬浮电容实现制动能量的存储和再利用，其工作原理与图 8类似。总而言之，该类由悬浮电容供电的辅助逆变器结 构，为今后高压大容量调速系统中的能量的高效利用 提供了一个很好的思路，随着超级电容性

23、能的逐步完 善及其价格的逐步下降，该种结构在大功率电力机 车，舰船推进系统，以及一些需要频繁起停的大功率 电机调速系统中的应用将会更加显现其优势。4 “背靠背”式多电平变换器结构从能量回馈利用的角度来考虑，在一些和电网 直接相联的系统中，除了可以把能量储存起来，还 可将能量直接回馈回电网，也就是完全实现电机的 四象限运行，同样可以实现系统能量利用率的提高。所谓的能量回馈背靠背”式结构，就是指在交直- 直交的变换过程中，整流侧和逆变侧都采用可控功率开 关器件，这在物理上保证了能量双向流动的可实现性。图10为双侧二极管箝位型五电平PWM 变换器，由交流输入侧可控多电平整流变换器和负载侧 对多电平逆

24、变器两部分组成。两侧的内分支母线U1，U2，U3直接相联接，既可以回馈能量，又可 以对电容的电压平衡进行协调控制17-18。图10五电平双侧PWM能量回馈变换器由于现有高压大容量逆变器结构多采用H桥级联结构，且其结构的模块化产品已经比较成熟， 2003 年意大利学者开始研究利用H桥实现可控整流，进而实现如图11所示的H桥背靠背”式结构。该结构主要的优点就是消除了输入侧的多绕组变压器，且 所有单元都是模块化结构，可降低生成成本，同时 可以实现能量的双向流动19。但是该结构的缺点是双侧PWM协调控制较为复杂，且存在一些会导致 电容内部短路的开关状态，因此冗余状态较少。针对该种结构的缺点，有不少学者

25、在该种结构 上做了进一步的改进，如在2006年的IPEMC 上,日本学者提出在整流和逆变侧之间加入高频变压器 进行隔离，随着今后SiC功率开关器件的应用，会使得该种拓扑结构的成本大大下降，相比现有的多 绕组变压器而言具有更大的发展潜力19。但是该种结构的缺点是使用的开关管数目多了两倍，是否真 的经济可行还有待验证。文献20中提岀了将整流侧和逆变侧H桥中的一个桥臂作为共用桥臂，如图13所示，该结构采用半正 弦波调制，通过共用桥臂为整流和逆变侧的基波电压 提供一个交变的直流偏置，从而实现输出一个完整的 正弦基波电压。由于该结构共用桥臂中点相连，所以 对其进行级联提高电压会比较困难，但是该结构充分

26、利用了 H桥整流输岀多个独立直流电源的特性，结构 还是比较新颖的，给今后进一步的研究提供了思路。CoLerlef tGfltertw 2图12 H桥式背靠背结构REC-aeffi COM-irni.INV-vm.图13 H桥式背靠背结构背靠背式变换器的 PWM整流侧可控制输入较 高的功率因数，消除了对电网的谐波污染，同时也不需要输入侧的副边多绕组变压器。而它的逆变侧采用高性能的闭环控制方法，在实现电机高性能运行同 时，降低了输岀的共模电压和输岀谐波，最大限度的实现电机的节能运行。 在两电平背靠背式结构的研究 已经比较充分的基础上，将该种结构进一步的推广到 高压大容量多电平中有着更广泛的实用意义

27、。5结论本文对目前几种常见的高压大容量多电平变换 器的拓扑结构特点进行了比较和分析，同时介绍了 一些多电平研究的最新成果，从中我们可以看岀各 种多电平变换器拓扑结构的提出都是向着高效率， 高性能，高电压，高可靠性，低成本的方向发展的, 因为只有这样才能够使得大容量多电平变换器变得 更加实用。在中低压变频调速领域，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，目前该结构的产品 化应用还只限于三电平，因此，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，从而实现电压等级的 提高。此类结构目前最有可能应用于实际

28、的应该是 “背靠背”式多电平结构，不仅可以控制电容中点2008年第9期电气技朮1171994-2014 China Academic Jcui-nal Electronic Publishing Hcus All rishis reserved, http:电机系统节能电压平衡，提高电压等级，而且还可以实现电机的 四象限运行。而在中高压领域，H桥结构则有着更广泛的应用，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。但是该结构输入移相变压器的抽头多、体积大，成 本很高，而且要实现能量回馈也比较复杂和困难。 因此H桥结构的进一步发展重点在于降低成本，提 高

29、效率，例如加入储能单元等混合拓扑结构。而与此同时，新型大功率电力电子器件技术的发 展也将为大容量变频技术的发展提供基础和源泉。综上所述，多电平变换器拓扑结构的不断改进， 新型电力电子器件的不断更新，必将推动高压大容 量变频调速技术的更进一步发展。参考文献1 李永东，肖曦，高跃.大容量多电平变换器原 理控制应用.北京：科学出版社,2005.2 F. Peng, A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing IEEE Trans. on Industry Application, 2000, 37(2)

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