单元串联式多电平高压变频器的起源、现状和展望

（1）上海艾帕电力电子有限公司 （2）上海大学 （3）中国电工技术学会 （4）天津大学 （5）天津电气传动设计研究所    摘要：根据美国西屋公司和罗宾康公司的相关专利对单元串联式多电平高压变频器技术的起源进行了分析。同时总结了该技术的国内外发展现状和目前产业化水平。最后，从无速度传感器矢量控制、高耐压功率器件的应用、大容量化、能量回馈功能、多电平PWM技术、冗余设计、高速电机应用等方面对该技术未来的发展趋势进行了展望。 1  引言    单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出。其输出通常采用多电平移相式PWM，以实现较低的输出电压谐波，较小的du／dt和共模电压。输入通常采用多重化隔离变压器以达到抑制输入谐波的目的。    近年来，该技术在全球范围内发展迅速，国内也涌现了很多基于该技术方案的高压变频器生产厂家，产业化成绩十分显著。 2  单元串联式多电平高压变频器起源    美国西屋电气公司于1986年5月申请了专利号为4674024的美国专利。该发明提出了由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统，图1为功率单元的基本结构和串联示意图（本文中的附图均摘自原始专利说明书，为维持表述的准确性，没有将其翻译成中文）。图1中，对输出高压的控制可以通过可控整流桥控制逆变系统中部分模块的直流电压实现，也可以通过对部分模块的逆变侧进行PWM控制来实现。该发明提出了单元串联多电平变频器的基本框架。    图1是这种控制方法的示例。上面的功率单元采用可控整流桥调整直流母线电压，输出频率则通过逆变侧控制；下面的功率单元采用不可控整流、用逆变侧PWM控制输出电压的幅值和频率。

   图2为采用功率单元串联形成三相高压输出的组合示意图，用于高压电动机的变频调速。

   西屋公司的发明解决了变频器要求高压输出而器件耐压不够的矛盾，避免了常规器件直接串联时存在的均压问题，奠定了单元串联多电平变频器的基础。    美国罗宾康公司于1994年3月申请了专利号为5625545的美国专利。该发明提出了输入采用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式PWM的单元串联多电平方案，如图3所示。图4为功率单元的组成结构。输入变压器采用延边三角形接法，变压器副边互差一定的电角度，以达到抑制输入谐波电流的目的。输出采用多电平移相式PWM，同一相中不同串联单元的三角载波互差一定的相位，以增加输出电压台阶，提高等效开关频率，改善输出电压波形。图5为移相式PWM原理。该发明提出的单元串联多电平高压变频器方案成为目前市场上主流的单元串联多电平方案。同时，还提出了功率单元旁路的概念。

   1998年5月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法，在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压之间的相位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，同时最大程度提高了电压利用率。该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。功率单元旁路结构如图6所示。中心点偏移功率单元旁路原理见图7。

   罗宾康公司率先引入多重化移相变压器和多电平移相式PWM等概念，解决了输入谐波、输出谐波、du／dt、共模电压和可靠性等问题，于1994年推出了目前获得大面积推广的单元串联式多电平高压变频器，在该技术领域一直处于领先地位，对这种技术方案的推广起了很大的促进作用。

3  单元串联式多电平高压变频器现状    由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。    由于西屋电气和罗宾康公司的2个发明仅在美国进行专利申请，所以相应的技术目前在我国属于公知技术。    除了罗宾康公司外，还有三菱，东芝等国外厂家生产单元串联式多电平高压变频器。国内近年来也出现了利德华福，东方日立等高压变频器生产厂家。目前，国产高压变频器驱动电动机的功率在3500 kW以下，全部为空冷。此外，也有采用三电平功率单元的方案，以及采用常规IGBT直接串联（带动态均压）的产品。    我国高压电动机多为6 kV和10 kV等级，目前，三电平变频器受到器件耐压的限制，尚难以实现这个等级的直接高压输出，而单元串联式的输出电压能够达到10 kV甚至更高，所以在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，该技术方案几乎已经形成垄断的态势。    常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，无法实现能量回馈功能，不适用于轧机、吊机等要求4象限运行的场合，这是这种高压变频器存在的缺点。对要求4象限应用的场合，目前还是以带AFE的三电子变频器和传统的交交变频器为主。    功率单元旁路方案大大提高了单元串联式多电平变频器的可靠性，从很大程度上弥补了元器件个数多且导致可靠性降低的问题。    单元串联结构决定了这类变频器很容易实现模块化设计，适合大批量生产，形成产业化规模。    功率单元采用H桥结构已广为接受。也有个别国外厂家在功率单元内部采用三电平结构，以减少变频器中功率单元的个数。但这将导致单元结构和控制复杂性增加（如三电平PWM和电容中心点电位波动问题），效果并不理想。    目前，国际上该技术的发展已经比较成熟，输出电压等级达到14．4 kV，单机最大容量达到15000 kW，采取水冷技术。    国外先进厂家已采用无速度传感器矢量控制和速度闭环矢量控制。能驱动同步电动机和多绕组电动机。能实现变频驱动和电网直接驱动的无扰切换（同步切换）。国外无速度传感器矢量控制高压变频器可达到的技术指标为：调速范围100：1，稳态转速精度0．5％，转矩线性度7％，转矩响应750N•m，转速响应20rad／s。目前国内大部分产品为v／f控制。上海艾帕电力电子有限公司已开发成功无速度传感器矢量控制高压变频器。 4  单元串联式多电平高压变频器发展展望    单元串联式多电子变频器的主电路拓扑和总体控制策略已基本成熟，出于对可靠性、寿命、成本、控制性能等几方面的要求，在以下几个方面会有一定的发展。 4．1  冗余设计    高压变频器使用场合的重要性决定了其对可靠性有很高的要求。冗余设计可以弥补多电平变频器元件数量较多所产生的可靠性问题，大大提高其MTBF。冗余设计包括主回路的冗余设计和控制系统的冗余设计。    主回路的冗余设计主要采用功率单元旁路技术和采用多台变频器给多相电机供电的方式。功率单元旁路技术已经比较成熟并得到广泛应用。考虑到大部分电机为三相电机，在超容量应用领域，采用多台变频器并联的技术方案会有一定优势，在扩大容量的同时还能实现冗余设计。 4．2  无速度传感器矢量控制    无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下，大大提高变频器的性能，拓展变频器的应用领域。即使用在风机水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合，无速度传感器矢量控制具有的转矩限幅、快速转速跟踪再起动等功能有效地防止加速过程的过电流跳机和减速过  程中的过电压跳机和其它不正常的停机现象，对于保证变频器的可靠运行有非常重要的意义。    单元串联式多电平高压变频器由于输出电压电流波形比较理想，有利于无速度传感器矢量控制的实现。电机参数不准和时变是影响无速度传感器矢量控制性能的重要因素，要求控制算法中尽量避开敏感的参数或增加电机参数在线辨识和控制系统参数自动修正功能，以提高系统的鲁棒性。  4．3  高耐压功率器件应用    目前，单元串联式多电平高压变频器基本采用低压IGBT（1 700 V以下）作为主要功率器件，功率单元的额定输出交流电压通常在750 V以下，因而导致变频器所用元器件数量多于其它类型的变频器。现在也有公司采用3300 V的IG-BT作为功率器件。以后也可能考虑采用IGCT等耐压更高的功率器件，以简化主电路结构，提高可靠性。当然，采用高耐压器件后带来的整体成本增加和由于串联单元个数减少引起的波形质量下降必须综合考虑。  4．4  大容量化    随着应用领域的扩展和相关技术及工艺的进步，高压变频器容量逐步增大。冷却问题随着容量的增大变得十分重要。在大容量领域，水冷技术是比较合适的选择，国外水冷技术的变频器输出电流可达到1400 A。水冷技术对结构设计和热设计提出了很高的要求，同时对基础制造业也提出了挑战，目前国内制造水冷变频器的主要瓶颈在于水冷变压器和水冷散热器，连接件等配套工业。水冷高压变频器的水循环系统比较复杂，冷却介质一般采用纯净水加一定比例的防冻剂，如乙二醇。水循环系统必须有温度、压力、流量、导电率的监测和控制，需要安装去离子装置和水位调节储水罐等附件。水冷方式的优点是散热效果好，噪音小，大容量时体积紧凑；缺点是成本高，维护复杂。    目前国际上空冷功率单元成熟产品的最大电流为600A左右。上海艾帕电力电子有限公司正开发电流达1000 A的空冷功率单元，用于超大容量空冷高压变频器。    在某些大容量应用领域，也可以采用多绕组电动机，用多台变频器分别供电，协调控制，以达到扩展容量和冗余设计的目的。  4．5  能量回馈功能    常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，能量无法向电网回馈，导致变频器制动能力非常弱，只能应用于风<< p="">