高压大容量变频技术

null现代电力电子及高性能大容量交流调速技术 ----现状及进展现代电力电子及高性能大容量交流调速技术 ----现状及进展Copyright ©2006 PEMC.Tsinghua University . All rights reserved. 主要内容主要内容现代电力电子技术概述 高压大容量变频器原理及结构 高性能大容量交流调速系统 结论和问一、 概 述一、 概 述现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术现代电力电子技术的发展趋势现代电力电子技术的发展趋势高频化 BJT <10kHz IGBT <几十kHz MOSFET 几百kHz 高效率 软开关技术现代电力电子技术的发展趋势现代电力电子技术的发展趋势高功率密度－－组合化 SCR + MOSFET = MCT GTO +MOSFET = IGCT BJT + MOSFET = IGBT IGBT + DRIVE = IPM 化，量产； 可制造性，降低成本现代电力电子技术的发展趋势现代电力电子技术的发展趋势高压大功率 GTO 6000V/6000A 4500V/4500A IGBT 3300V/2400A 4500V/1200A IGCT 4500V/4000A BJT 1400V300A MOSFET 500V/240A现代电力电子技术的发展趋势现代电力电子技术的发展趋势高功率因数 功率因数 谐波污染 SCR相控整流 低 较大 DIODE整流 高 仍有 PWM整流(PFC) 1 THD小 全数字控制 单片机 + DSP = TNMS320F240 二、 高压大功率变频器 原理及结构 2.1 应用领域二、 高压大功率变频器 原理及结构 2.1 应用领域null电能生产和消费 我国能源生产总值居于世界前茅，但是单位产值能耗太大，节能方面差距很大。 我国发电量的60％～70％左右用于推动电动机做功，其中90％的电机是交流电机，大部分为400～40000Kw，3～10Kv的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。节能的潜力节能的潜力占工业用电30％以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20％计算，对全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。 改造完毕形成的产业市场容量达1500亿元。高性能调速系统高性能调速系统在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业的改造和高速列车、城市地铁轻轨 、电动汽车等现代化交通工具的驱动中也需要使用大容量的调速系统, 以提高系统性能和生产效率。 高性能调速系统 高性能调速系统 国内铁路市场: 干线车：未来十年内 机车数量：4000 台 牵引变频器价值占总额：约 30% 达 152 - 200 亿人民币 地铁、轻轨： 未来五至十年 机车数量：1500 台 牵引变频器价值占总额：约 30% 达 36 亿人民币2.2 国外公司和国内现状2.2 国外公司和国内现状元件串联 电压型二电平 （ALSTOM） 电流型 (ROCKWELL) 多电平H桥 （ROBICON） 三电平 （SIEMENS） 电容浮动 （ALSTOM） 变压器高低高 （SIEMENS，安川）高压PWM变频技术国外公司情况国外公司情况欧美公司 1)SIEMENS 工程+产品 * SIMOVET－A系列，晶闸管电流型，低价、成熟, 淘汰技术。 * MV－6SE80系列中压变频器, 高压3－6KV IGBT， 三电平，目标产品，发展趋势，已在国内推20台， * 天津有合资厂，生产低压 6SE70，6RA70，2000 年开始组装中压产品。 * 技术策略 1000KW以下－采用MD＋低压电机（兰州电机厂） 1500KW以上－采用MV 800KW～1500KW－MD或MV（高中高） 国外公司情况国外公司情况2)ABB 工程为主 * 中压变频器ASC1000系列， 采用IGCT，三电平， 目标产品，体积小， DTC直接转矩控制。 * 北京有合资厂, 生产低压 600，500系列变频器, 将来可能组装高压产品。 3)GE 工程为主 * INNOVITION MV系列中压变频器 , IGCT、IGBT 三电平, 三电平H桥，主要应用大功率轧机传动。 * 上海合资厂已解除，建研究中心，目前没有大 规模风机，水泵推广，在美国FUJI低压变频器， ROBICON中压变频器打GE产品系列铭牌。 *2000年GE与TOSHIBA合资建大传动公司。 国外公司情况国外公司情况4)ROBICON 产品. * 中压变频器H桥技术的代表, 低压变频器技术的延伸， 在国际上流行，发展快，已有40台在中国用，价格适中，效果好，技术过渡产品。 * 国内代理多，技术仿制多, 没有在中国建厂，同华能商 议合作散件组装。 5)ANSALDO 工程+产品 * 中压变频器采用高压3KV IGBT，H桥串技术，技术独特，还没有在中国推广。 * IGBT三电平3KV变频器, 达到5000KW, 应用于大功率轧机主传动。 * 北整厂同ANSALDO有合作，可能代理，散件组装。 国外公司情况国外公司情况6)ROCKWELL ( AB ) 产品 * 1557系列中压变频器，采用GTO电流型, GTO元件串联，5年前占北美风机，水泵市场70%，技术目前已落后，在中国已推10余台。 * AB目前同RELANCE合并，应用于大功率轧机传动的IGBT三电平1567系列中压变频器停产，采用SGCT的PowerFlex 7000电流型变频已推出。 国外公司情况国外公司情况日本公司 7)东芝 * TOSVERT－MV系列中压变频器，H桥，1700V IGBT， 3KV标准产品，两个3KV MV串接形成6KV产品，初入 中国市场。 * 2000年同GE合资建大传动公司。 8)三菱 * 低压变频器占中国1/4左右，高压GTO，GCT三电平 中压变频器用于大功率轧机传动， IGBT三电平用于 轧机辅传动，在钢铁业宝山、鞍山有影响，上海建宝 菱公司。 * 1999年推出IGBT，H桥3KV电压变频器。国外公司情况国外公司情况9)FUJI * 低压变频器占中国1/3左右,开始推出3KV中压变频器， 三电平IGBT单相H桥，级联成中压变频器, H桥与三电平结合，技术独特，2000年开始进入中国。 国内研究现状 国内研究现状目前比较成熟的有晶闸管直流电机调速, 可控硅交交变频调速等，采用的结构为：普通三相逆变器 降压－普通变频－升压电路 交交变频电路 变压器耦合的多脉冲逆变器传统大功率逆变器拓扑结构的缺点传统大功率逆变器拓扑结构的缺点研究比较成熟，但在实现大功率的同时，性能上没有什么突破，且 . 装置复杂，制作成本高 . 控制方式可靠性低 . 对电网污染严重，功率因数低，无功损耗大， 须附加谐波治理装置，设备成本成倍增加 2.3 新型大功率变频器拓扑结构2.3 新型大功率变频器拓扑结构 通过多电平逆变器上电压 通过器件的并联上电流 采用多相电机高压大容量的实现方法：新型多电平电压型逆变器新型多电平电压型逆变器日本长岗科技大学A. Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。 此后经过多年的研究发展出几种主要的拓扑结构，为高压大容量高性能逆变器提供了新的发展方向多电平逆变器相比传统两电平的优点多电平逆变器相比传统两电平的优点更适合大容量、高电压场合 可产生M层阶梯输出电压，对阶梯波再作调制，可以得到很好近似的正弦波，含有谐波数很低 电磁干扰（EMI）问题大大减轻，一次动作的dv/dt只有普通双电平的1/(M-1) 消除谐波效率高，损耗低，效率高1、二极管箝位式多电平逆变器1、二极管箝位式多电平逆变器图1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑图2 二极管箝位式五电平逆变器图2 二极管箝位式五电平逆变器 多电平逆变器相电压输出波形 多电平逆变器相电压输出波形 输出相电压为七电平时的电压波形。试验结果表明输出相电压的dv/dt减小了七倍，输出电压的THD和输出电流的THD都大大减小。传统二极管箝位式拓扑的特点传统二极管箝位式拓扑的特点二极管箝位式拓扑具有多电平逆变器共同的优点，但存在自身不足： 箝位二极管承受电压不均匀 器件所需额定电流不同 不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象 不能实现有功功率的双向流动改进二极管箝位式拓扑1改进二极管箝位式拓扑1改进结构解决了多个箝位二极管串联均压问题。图3 二极管箝位式改进拓扑1改进二极管箝位式拓扑2改进二极管箝位式拓扑2在图3的两个相邻箝位二极管上加箝位电容 。 解决了二极管串联问题，电容对器件关断时的过压进行箝位。 通过电容充放电，减小电容电压的不平衡。 所加电容能实现电流的双向流动。图3 二极管箝位式改进拓扑2改进二极管箝位式拓扑3改进二极管箝位式拓扑3通过附加电路让电容能量只在电源电容之间流动，可维持电压稳定。图4的balancer电路即是让能量通过电感L在电容C1与C2之间传递，保持电压恒定。图4 二极管箝位式改进拓扑3改进二极管箝位式拓扑4改进二极管箝位式拓扑4图5所示拓扑结构左边整流部分与右边逆变部分完全相同，采用两个多电平二极管箝位式多电平变换器并联，中间辅助直流斩波器能平衡直流侧电容电压图5 二极管箝位式改进拓扑4改进二极管箝位式拓扑5改进二极管箝位式拓扑5若将两个相同变换器背对背使用，左边作为整流器，右边作为逆变器，直流侧电容相应节点进行连接，可平衡电容电压图6 二极管箝位式改进拓扑52、电容箝位式多电平逆变器2、电容箝位式多电平逆变器 由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年会上提出。最初目的是减少二极管嵌位多电平变流器在较多电平情况下过多的嵌位二极管。即采用悬浮电容器来代替嵌位二极管工作，直流侧的电容不变。工作原理与二极管箝位式变流器相似。但在电压合成方面，开关状态的选择比二极管箝位式具有更大的灵活性。null图7 电容箝位式多电平变流器拓扑结构null拓扑结构虽省去了大量的二极管, 但又引入不少电容。对高压大容量系统而言, 电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。 电容的引进使电压合成的选择增多, 通过在同一电平上进行合适的不同开关状态的组合, 可使电容电压保持均衡,可较好地应用于有功 调节和变频调速系统。 控制方法非常复杂, 而且开关频率将增高,开 关损耗加大, 效率随之降低。电容箝位式拓扑结构的特点null为保持电容电压的平衡，Meynard提出了一种采用背对背的变流器结构来调整电容充放电的平衡，并采用成一定比例的开关模式来同时控制整流桥和逆变桥，使得流向电容的功率和从电容流出的功率相同。通过对电容电压进行检测，如果出现不平衡，可以适当改变整流桥的控制。 缺点：引入了大量的悬浮电容，而且存在着电容电压平衡的问题，难得到实际应用。电容悬浮式多电平变流器3、带分离直流电源的串联型3、带分离直流电源的串联型图8 带分离直流电源的串桥式逆变器结构带分离直流电源的串联型逆变器的特点带分离直流电源的串联型逆变器的特点直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行调速控制; 因每个H桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，因此需要用较大容量的直流电容 控制方法相对简单。因每一级结构的相同性, 可分别对每一级进行PWM控制, 然后进行波形重组带分离直流电源的串联型逆变器的特点带分离直流电源的串联型逆变器的特点一般二极管嵌位式、电容悬浮式限于三或五电平，串联型结构电平数可较多，适合更高电压，谐波含量更少; 对相同电平数, 串联型结构所需器件数目最少 由于每一级逆变桥构造相同, 给模块化设计和制造带来方便, 且装配简单, 系统可靠性高。另外, 某一级逆变桥出现故障时, 就被旁路掉, 剩余模块可不间断供电, 以尽量减少生产损失带分离直流电源的串联型 逆变器的应用带分离直流电源的串联型 逆变器的应用因这种结构较容易采用低压的功率开关器件，实现多级电压串联，获得高电压，大容量，因此具有较大的实用性。 国际上很多著名的电气公司包括罗宾康、东芝、ANSLADO、三菱都已经具有同类的产品，可用 在高压大容量电机调速、无功补偿等一些行业。 国内也有产品问世，用于拖动风机、水泵等调速系统中。4、三相逆变器串联式4、三相逆变器串联式1999年 Cengelci E等人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频结构。其主要思想是用变压器将三个由高压IGBT或IGCT构成的常规逆变器单元的输出叠加起来，实现更高压的输出，并且这三个常规逆变器可采用同一种控制方式，电路结构和控制方法都大大简化null图9 三相逆变器串联式逆变器拓扑结构图三相逆变器串联式逆变器的优点三相逆变器串联式逆变器的优点三个常规的逆变器为核心构成高压变频器，且每个常规逆变器可采用常用PWM方法 三个常规的逆变器平衡运行，各分担总输出功率的1/3 整个变频器输出可等效为7电平PWM控制，谐波小和dv/dt低 输出变压器的容量只需总容量的1/3 18脉冲输入，网侧无谐波且功率因数高三相逆变器串联式逆变器的控制策略三相逆变器串联式逆变器的控制策略由于三个逆变器电压、电流和功率完全对称，三个逆变器可采用完全相同的控制规律，但是相当于两电平的高压变频器，dv/dt太大 可以采用将三个逆变器的PWM信号相互错开1/3周期的办法，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用一个三角波，相位互差1200。相当于一个线电压为7电平的高频变压器 null图10 电机线电压PWM波形图11 输出变压器绕组图三、 高性能大容量 交流调速系统三、 高性能大容量 交流调速系统 多电平变频器的空间 矢量PWM控制 多电平逆变器控制策略主要有两大类，即非PWM控制和PWM控制。当逆变器电平数达11电平以上时，输出阶梯波形已经很好近似正弦波，在对谐波要求不严格场合，采用优化开关角控制即可，无需再作PWM。当电平数较少或必须严格限制谐波时，需采用PWM控制。 大功率逆变器电路拓扑结构不断更新的同时，相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。随着多电平电路拓扑结构的出现，PWM控制技术又有了许多新的进展null空间电压矢量PWM法，是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由比较结果决定逆变器的开关顺序，形成所需的PWM 波形。在SVPWM法中，定义合成电压矢量 其中对180导通形逆变器，sa、sb、sc每个变量有两个状态0或者1，三相桥臂开关共有8个状态，包括6个非零矢量和2个零矢量。 对应的6个非零矢量的运动轨迹为六边形。采用控制电压矢量导通时间的办法，用尽可能多的多边形磁通轨迹逼近理想的圆形磁通，或者采用磁通闭环的方式产生PWM波形，可以有效地改善低速磁通和电流波形，抑制电机的脉动和噪音。多电平空间矢量PWM控制特点多电平空间矢量PWM控制特点消除谐波效果类似于多电平SPWM 对于三电平，五电平逆变器，开关模式容易计算，易于数字化实现。但随电平数增加，开关模式的计算量剧增，而且所需内存增加很多 开关模式选择冗余度大。选择合适矢量，可达到消除共模电压作用，而且对于二极管箝位式多电平逆变器，可消除或减小直流侧电容电压的不平衡性 其中，状态量Sa,Sb,Sc 均各有0、 +1、 -1 三种状态，这样共可获得33=27 种状态，其中包括6个长矢量，6个中矢量，12个短矢量和3个零矢量。在这些电压矢量中，零矢量对应3种开关状态，与中间的正六边形顶点相对应的矢量存在着两种开关状态。实际控制中，选取适当的空间矢量组合和电压矢量导通时间，可得到很逼近圆形的磁通。对中点箝位式三电平逆变器，合成电压矢量其中null图12 三电平NPC电路矢量图三电平电压空间矢量PWM控制三电平电压空间矢量PWM控制优势：优化开关矢量，降低开关频率，减小交流侧电流的总谐波畸变率，易于进行中点电电压控制 其实现取决于微处理器的性能，尤其是运算速度 首要任务：根据控制系统电压给定值，选取适当的开关状态以减小输出电压的谐波 本质：通过在每个开关周期中，用参考矢量所在小三角形中三个顶点矢量来进行等效，联合参考电压和该三角形三个顶点矢量，实现该矢量的PWM调制 方法：根据三电平电压空间矢量PWM控制和给定电压表达式的算法，计算给定电压在矢量图中小三角形的位置，并计算出各个顶点应该占有的时间三电平电压空间矢量PWM控制三电平电压空间矢量PWM控制电压开关矢量的顺序选择和作用时间： 首先确定给定电压矢量所处的三角形位置和代替其三个矢量的作用时间，然后进行开关矢量顺序选择和划分。同时保证变流器的稳定安全运行以及尽可能减小交流侧电压谐波 直流电容电压平衡建模与算法： 联合考虑直流电容电压平衡的情况和给定电压的位置区间，通过适当选取t值，某些特殊情况下，结合调整直流电容的值，或通过在给定电压远离中开关矢量，来调节直流电容电压的平衡三电平电压空间矢量PWM控制三电平电压空间矢量PWM控制对三电平变流器的实际分析和仿真实验表明：若不对直流电容电压平衡进行实时的校正，则变流器的直流电容电压会出现较大的浮动，这样会大大提高系统的交流谐波含量，加大功率器件的耐压，降低装置的可靠性。 这种基于检测交流电流瞬时方向的直流电容电压平衡算法，实现简单，可以不受变流器的实际功率流向和功率因数的影响，在任意功率流动方向下，始终以较快的速度维持了直流电容电压的平衡。2. 多电平PWM逆变器 中点电压平衡问题2. 多电平PWM逆变器 中点电压平衡问题意义重大，解决难度大 目前国外研究进展： 中点电压控制问题普遍重视，各种控制策略的提出并予以应用，直流电压平衡上已得到成功的运行。其中一些达到了在控制中点电压的同时避免了极窄脉冲故障的问题，另一些则通过不在最大电流时开关动作以使损耗最小化，或者结合前端逆变器来实现中点电压的控制。但是，最终它们都没有能在各种负载情况下对中点电压的控制难题提出根本的解决中点电压偏移原因中点电压偏移原因 3倍输出频率的大电流流过中性点 器件特性等的分散性 与负载性质及开关状态有关等：电压式三点式逆变器大多采用电容分压构成中性点。直流侧电容由于一个周期内电流的流入和流出可能不同，会造成某些电容总在放电，而另一部分总在充电，使得电容电压不均衡，最终导致输出电平不对称中点电压偏移危害中点电压偏移危害影响输出电压的对称性 提高对主管阻断耐压的要求 增大电机线电压谐波含量，不利于系统正常工作，甚至引起严重振荡 当进行有功传递时，如不附加均压装置或使用特别的控制策略，必将导致M电平退化为三电平或两电平null思路：应用电压空间矢量理论结合三点式逆变器特点合理选择电压矢量来控制正侧和负侧电容使用率，达到控制中点电压的目的 方法：根据中矢量和正负短矢量对中点电压偏移的影响，合理选择每个矢量周期里中矢量和正负短矢量的作用时机和时间，达到在每个矢量周期内尽量消除中点电压偏移，或者在下个周期里抵消上个周期的中点电压偏移控制中点电压偏移的方法 空间矢量技术控制中点电压空间矢量技术控制中点电压1 被动控制：合理选择正负短矢量来调整中点电压 策略简单，计算量小 缺点： 增加额外的电容设备，增加成本和空间 2 滞环控制：采取对中点电压的一个简单的闭环 简单易行，控制策略相对简单 缺点： 容易产生半频的中点电流纹波和噪声 3 主动控制：精确计算，预先防止中点电压失衡 控制质量高，节省传感器，硬件成本低 缺点： 开关次数多，损耗增大，控制复杂null 图15 中点闭环控制 带中点电压控制另一种双NPC电路： 整流部分也采用NPC电路，从整 流侧进行中点电压控制 特点： 可完全实现中点电压控制，并可实现功率回馈及 单位功率因数运行，适用于大容量系统。四、结论四、结论传统大功率逆变电路由于体积大，性能差，并对电网产生较多谐波，因此应用领域越来越多地受到限制。而新型多电平逆变器由于具有动态性能好，对电网和电机产生的谐波较少，可以上高压等优点，受到越来越多的重视。 当PWM技术应当于多电平逆变器时，产生一些改进方案，对大容量逆变器在高性能电机调速系统（如DTC）中的应用起了重要作用。null在以上几种新型多电平逆变器中 * 二极管嵌位式和电容嵌位式由于存在均压问题， 在无功调节中应用较好,也用于电机调速系统。 * 串联型结构由于其独特的结构和显著的优点， 较适合于调速驱动系统。 * 三相逆变器串联式可以保证均衡利用功率和变 转矩负载条件的运行，并且对电网谐波污染小， 可很好的用于中压（ 2300～4160 V）的调速 驱动系统。