多电平高压变频器的拓扑结构分析与研究

高玥

(沈阳市装备制造工程学校，辽宁 沈阳 110024)

1 前言

现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。19世纪末20世纪初，随着汞蒸汽、汞弧和真空电子管的发明，电力电子技术得以发展起来。50年代末60年代初随着硅整流器件的出现，电力电子技术的发展进入了一个崭新的时代，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。80年代末期和90年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

上个世纪中，电力电子技术随着功率开关器件与变流器拓扑的发展而发展。电力电子器件的发展经历了不控和半控器件、电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路等若干阶段。在60年代和70年代大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，主要应用于电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大域领域。电力电子与电力传动技术的每一个改进和创新都能马上在实际工业和民用方面得到应用，在改造传统产业、发展高新技术和高效利用能源中有着极其重要的作用。

2 多电平高压变频器的拓扑结构

2.1 普通双电平逆变器

如图1所示，普通双电平逆变器拓扑结构比较简单。对于普通双电平变频器，当以直流电源电压的中点电压Ud/2为参考电压时，其负载中性点的电压是脉动的，脉动的幅度为Ud/6。由于每个开关管在工作时都需要承受Ud/2的直流电源电压，所以这种拓扑结构直接考验开关管的耐压值，并且整个系统的容量由于拓扑结构和开关管功率的影响不可能很大。所以采用这样拓扑结构时，为了获得大容量只能依靠电力电子器件的串并联来实现，而这种串并联将会带来一系列的问题，如要解决静态均压、动态均压、均流等问题。

图1 普通双电平变频器逆变电路

2.2 三电平电压源型逆变器

(1)二极管箝位式

三电平逆变器的主电路拓扑结构最早是由德国学者提出的，这种早期的拓扑结构只是为了改善电压质量、降低电压谐波分量，而在二点式的基础上，在中间直流回路增加了一个零电平。这种拓扑结构的每个桥臂由两个全控型器件串联构成，两个器件都反并联了二极管。两个串联器件的中点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接。后来经过发展，用功率二极管代替主开关管，利用中间的主开关器件将功率二极管引出的零电平加到输出端上，从而利用功率二极管的箝位达到输出电位相对于中间直流回路有3个值的目的。通过适当的控制，三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于双电平逆变电路。其结构如图2所示。三电平逆变器每一相主开关管数与续流二极管数都为4，箝位二极管数为2，电容数为2，平均每个主管承受正向电压为Ud/2。整个三电平逆变器三相主开关管数与续流二极管总数为12，箝位二极管总数为6，电容数为2。

图2 二极管箝位式三电平逆变器

与传统的双电平拓扑结构相比较，二极管箝位式三电平逆变器没有动态均压问题。在换相过程中，三电平逆变器的每个有源开关均只承受总直流电压的一半。无需额外的器件就可以实现静态电压均衡。线电压由五个电平组成，在相同的电压容量和器件开关频率下，网侧电流的总谐波失真和dv/dt比两电平逆变器的低，能减少谐波和有效地降低开关频率，从而使系统损耗小。但需要额外的箝位二极管、较为复杂的PWM开关模式设计以及中点电压偏移问题。

(2)电容箝位式

电容箝位式亦称之为飞跨电容式。飞跨电容型三电平逆变器拓扑的出发点之一，主要是为了除去二极管箝位型电路中大量的箝位二极管，但同时又引入了大量的悬浮电容。该电路的电压合成更为灵活，即对于相同的输出电压，可以由不同的开关状态组合得到。这种开关状态组合的可选择性，为飞跨电容电压平衡提供了可靠性和灵活性。图3所示的单相飞跨电容三电平逆变器，直流分压电容 C1、C2，箝位电容 C3、C4、C5。

图3 三相飞跨电容三电平逆变器

飞跨电容型多电平变换器的特点有:电平数越多，输出电压谐波含量越少。阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。但这种拓扑结构需大量的箝位电容。且用于纯无功负载时，存在飞跨电容电压的不平衡。

2.3 单元串联型多电平高压变频器

单元串联多电平高压变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出。其中的低压功率单元将功率器件按全桥逆变结构组成电路，基本单元其原理如图4所示。

图4 单元串联多电平变频器原理图

单元串联多电平PWM电压源型变频器采用多个低压PWM功率单元串接的新型结构方式，各功率单元的额定功率和输出电压可根据实际需要设计。6kV输出电压等级的变频器的主电路结构如图5所示。功率单元为三相输入、单相输出的交－直－交PWM电压源型逆变器结构，将相邻的低压功率单元输出端串接起来，实现变频器的高压直接输出。每个功率单元分别由输入变压器其中的一组二次绕组供电。如:6000V、1125kW变频器可由每相串接5个三相共15个690V、75kW的功率单元叠加形成。

图5 单元串联主电路结构

由五个功率单元串联而成的高压变频器，其中每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。当每相由五个额定电压为450V的功率单元串联时，变频器输出相电压为2250V、线电压约为3.9kV;当每相由五个额定电压为480V的功率单元串联时，变频器输出相电压为2400V、线电压约为4.2kV;当每相由五个额定电压为600V的功率单元串联时，变频器输出相电压为3000V、线电压约为5.2kV;当每相由五个额定电压为1250V的功率单元串联时，变频器输出相电压为6250V、线电压约为10kV。在这种拓扑结构中，高电压的输出不是直接输出的，而是通过若干单元的输出串联后叠加得到的。这样对于每个功率单元来说，不必承受高压，就可以采用低压的功率器件。由于串联的功率单元较多，所以对功率单元本身可靠性要求很高。这种拓扑结构还可以采用额定电压较高的功率单元，在满足输入输出波形质量的前提下，减少串联的数量，以降低成本，提高可靠性。

单元串联型多电平高压变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，输出波形好等优点;但是也有使用功率器件多的缺点。

3 结论

如果按照单元串联主电路形式拓扑构成的高压变频器可以解决两个技术难题:

(1)每一个功率单元都是一个小型的低压变频器，每相的电压由功率单元的输出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障后，只会使相电压降低，通过旁路切除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其他单元损坏的连环故障，所以说这种拓扑结构运行可靠性高。

(2)此种方式的高压变频器解决了对电网的污染问题，功率因数高。这种拓扑结构的高压变频器，它是每相由多个低压变频功率单元相互串联通过叠加来实现高压输出。功率单元供电的二次绕组相互存在一个相位差，以实现输入电压多重化。

这样基于单元串联结构研究出一种适合三相异步高压电动机调速的单元串联多电平SPWM电压型高压变频器。将有助于进行高压SPWM电压型变频器的设计﹑制造及进行性能分析，并尽可能推动高压变频调速在国内的发展和产业化，提高我国企业的经济效益和竞争能力。

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