中压大功率三电平变流应用与研究

2019-10-12吴浩伟蔡久青汪文涛孔祥伟

舰船科学技术 2019年9期

吴浩伟，蔡久青，汪文涛，孔祥伟

(武汉第二船舶设计研究院，湖北武汉 430064)

0 引言

动力系统的发展和变革，一直是舰船工业不断向前发展的源动力。随着电力电子技术的快速发展和先进电机技术的不断成熟，全电力推进和综合电力系统技术已成为世界各国舰船研究的热点和发展方向[1]。

随着英国45 型驱逐舰、美国DDG1000 驱逐舰等一批标志性的新型海军舰船下水服役，宣告了海军舰船动力系统的发展进入了全电力推进的崭新时代。船舶全电力推进系统功率步入几十兆瓦级，主干电网电压也提升至4～10 kV，舰船电力系统和舰船推进系统合二为一形成综合电力系统，电力电子变流器从传统推进电机的变频器，向舰船日常电网交流主电源等更广泛的领域大规模应用[2-3]。

与变流器向大容量、高电压快速发展的趋势相矛盾的是，电力电子开关器件技术水平的提升相对缓慢。与此同时，随着电压越来越高、容量越来越大，变流器开关过程中的电磁噪声与开关热损耗问题也日益突出和严重。单纯依靠开关器件的发展推动变流器容量和性能提升的发展路径难以为继，必须探寻适用于高电压、大容量、低开关噪声的新型电力变换拓扑。

二极管箝位型（Netrual Point Clamped，NPC）三电平逆变拓扑是日本学者A.Nabae 等在1980 年的IAS 年会上提出的[4]，该电路在中压大功率电气传动场合得到了广泛应用，具有以下明显的优势：

1）单个器件承受的电应力是直流母线电压的一半，可以使用低压开关器件实现高电压等级的输出；

2）单个功率器件开关动作对应输出电平的变化量小，输出电压的dv/dt 低，电磁扰动下降，有利于降低整机电磁噪声水平；

3）三电平电路输出谐波分量少，对于同样的滤波参数,每个开关器件的工作频率可进一步减小，减小了损耗，提高了效率；

4）三电平电路每个桥臂的开关管数量更多，发生桥臂直通严重故障的概率相对更小。

图1 NPC 三电平典型拓扑电路

图2 ABB ACS2000 系列产品拓扑结构Fig. 2 ABB ACS2000 series products and topologies

总体而言，NPC 型三电平逆变器在高压大容量和高性能之间实现了近乎完美的结合，成为中压大功率变流器研究和应用的热点。

1 中压大功率逆变器领域应用发展现状

在工业生产领域，以三电平为代表的多电平变换器由于提升了系统电压等级，增加了输出电平数，提高了输出电能质量，降低了开关损耗，因此，如ABB、西门子等国际知名电气设备厂商，都在这一领域中投入力量，积极开展设计研发工作。

当前常见的中压变流器对比情况如表1 所示。从表中可以看到二极管箝位型三电平变流拓扑（3-level NPC，3L-NPC）以及其扩展电路，成为主流的技术方案，是目前工业应用领域最为广泛的中压变流拓扑方案。

对当前的主流中压变流器技术方案进一步归纳分析，可以总结以下几个特点：

1）在6 kV 以下的系统中主要采用的拓扑结构为二极管箝位型三电平变流拓扑，如A B B 公司的PCS6000 系列产品，较大容量变换器通常采用IGCT 器件，容量较小时通常采用I G B T 器件。A B B 的ACS2000 则以3L-NPC 拓扑为基础，从三电平向五电平演化，进一步提升多电平逆变电路的变换性能。

表1 中压大功率变流器一览Tab. 1 Overview of middle-voltage high-power inverters

图3 主流中压变流器拓扑方案对比图Fig. 3 Topolgies Comprasion of mainstream inverters

2）在6 kV 以上主要采用的拓扑结构为H 桥级联多电平结构（Cascaded H-Bridge，CHB），采用两电平H 桥的级联拓扑结构电压范围十分广泛，并且可以达到更高的功率等级。

3）3L-NPC 拓扑与H 桥级联多电平拓扑的混合应用目前大部分采用的是五电平中性点箝位级联（5LNPC-CHB）拓扑结构，该拓扑是将2 个3L-NPC 单元级联组成一相桥臂，并且应用的电压等级主要是6 kV，图6 所示为应用该拓扑的YASKAWA 公司的MV1000系列机型。将NPC 级联单元数进一步拓展，电压应用等级可提高到了11 kV，该类型拓扑目前的功率等级可达到几十兆瓦，主要应用于高压大功率场合。

4）CHB 与NPC 相比需要更多的开关器件，以及移相变压器，增加了系统的成本，然而通过利用多个低压IGBT 组成的变换单元级联可以达到更多的电平数，降低每个变换单元的开关频率，因此可能实现无滤波器并网，同时通常仅仅需要强制风冷散热系统就可以满足系统散热需求。

5）利用NPC 或者多电平拓扑与IGBT 串联技术相结合可以达到更高的电压等级和更大的容量，并且系统拓扑和控制简单，具有更高的可靠性，实现更高的功率密度，降低系统成本。

图3 为目前主流中压大功率变流器所采用的拓扑技术与电压等级以及容量等级的关系。从图中可以看到，虽然ML-CHB 拓扑结构适用的范围很广，但在具体应用上，3L-NPC 拓扑依然是更多机型的实际选择。

3L-NPC 拓扑具有结构和控制简单、成本低、可靠性高等优点。虽然受到功率器件电压等级的限制，该拓扑应用的电压水平不能很高，但完全可以满足数十MW 级电力推进需要，并适应DC4 kV～6 kV 的工作电压。ML-CHB 拓扑结构由于其模块化级联的特点，很容易将电压等级提升至11 kV，容量达到百兆瓦级，然而该类拓扑通常需要大量的移相变压器、直流电容和半导体器件，因此设备的体积重量体较大，通常而言更适合于对安装布置限制约束小的工业应用领域或者大型舰船。

总体而言，3L-NPC 变换拓扑是舰船中压大容量变流器的最佳选择，也是迈向大功率、高性能电力变换领域最重要的一块基石。

2 三电平变流电路拓扑的研究现状

目前，以三电平变流器主要拓扑主要分为中性点箝位型变换电路（NPC）、飞跨电容型变换电路（Flying Capacitor，FC）、H 桥级联式三电平变换电路（CHB）以及他们之间的混合结构[5-6]。图4 分别显示了3 种基本三电平变换电路的拓扑。

对于最为常见的3L-NPC 拓扑而言，在常规的NPC 电路的基础上，目前主要发展出有源箝位型NPC 拓扑和开关箝位型拓扑2 种改进类型。

图4 三种基本三电平电路拓扑Fig. 4 Three basic three-level topologies

有源箝位型NPC 在常规NPC 的基础上利用全控开关器件代替箝位二极管，从而在变换器输出中点电位时可以调节电流在功率器件中的分布，可以很好解决器件损耗分布不均匀的问题。开关箝位型拓扑是利用一个双向开关进行中点箝位，如图5 所示。

图5 开关箝位型改进的NPC 拓扑Fig. 5 An advanced switch-clamped NPC topology

和有源箝位型NPC 一样可以保证损耗在器件中的均匀分布，并且容易拓展到多电平，器件数目随电平数线性增长。

飞跨电容型三电平拓扑靠跨接在串联开关器件之间的串联电容进行箝位，从而去除二极管箝位型电路中大量的箝位二极管。飞跨电容变换器和NPC 基本原理相同，结构和控制简单，所使用的器件数量最少，也能形成具有模块化的结构。飞跨电容多电平拓扑的主要问题是随着电平数增加，电容数量增加，并且每个电容电压需要初始化。当开关频率降低时，为了维持电容电压稳定通常还需要更大的电容，因此不适宜扩展到更大容量。因此该类拓扑目前实验研究较多，在实际的工程应用中较少采用。

级联三电平逆变器的基本思想是将2 个具有独立直流电源的两电平变换器进行级联，其输出电压串联起来，合成得到三电平电压输出波形。这一类型拓扑的特点在于很容易向五电平、七电平等更高阶电平的变换拓扑演进。

级联拓扑有2 种主要类型，一种是H 桥单元的CHB 级联，另一种是模块化半桥单元的级联（Modular Multilevel Converter，MMC）。CHB 是将N 个H 桥单元级联组成多电平变换器的一相桥臂，每个H 桥单元有一个独立的直流源。该拓扑采用模块化结构，每个模块使用相同的拓扑、控制和调制，通过级联更多的模块，很容易形成高电平数改善电能质量。通过简单的级联H 桥单元可以很容易达到中压应用的需求，而每个单元的开关器件仅需要使用低压的IGBT 器件。当某个级联单元故障时，可以通过冗余设计和故障旁路机制切除故障单元，保证整个系统的持续运行。

除了上述三大类拓扑以及其改进拓扑外，还有许多学者提出了将上述三类拓扑进行混合，组成新的混合多电平拓扑[7]，这些混合拓扑依然是在上述三类拓扑的基础上发展起来的。最常见的混合拓扑是将NPC 或者FC 进行级联构成NPC/FC 的级联多电平拓扑。这类拓扑可以在使用较少独立直流源的情况下使电平数得到进一步拓展，从而改善输出电能质量。

NPC 或FC 的级联拓扑主要问题是所使用的器件数目相应增加，在控制中还需要兼顾NPC/FC 和级联拓扑的相关特殊问题，因此使系统的结构和控制进一步复杂，可靠性相对降低。

3 三电平变流器调制和控制技术的研究现状

三电平拓扑中具有多达12 个半导体开关器件和27 种开关状态，其开关器件控制的复杂度和自由度相比于两电平拓扑而言大幅增长。因此，三电平拓扑研究中的一大关键是调制策略问题。

三电平逆变器的调制方案主要有三大类[7]：基于载波的PWM 调制、空间矢量调制（SVM）和谐波消除（SHE）调制。图6 显示了常见三电平调制技术的分类情况。

图6 三电平调制技术分类Fig. 6 Classification of three-level modulation

载波PWM 调制又可以分为载波电平移位调制以及载波移相调制。PWM 调制方案简单，易于实现，并且通过简单的变化可以方便的拓展到各种多电平拓扑应用中。

三电平变换电路的空间矢量调制最大的特点是冗余矢量的使用，通过对冗余矢量的特别处理，可以解决NPC 中点电压平衡问题、器件损耗分布不均匀问题以及FC 单元中电容电压稳定等问题。吴斌归纳总结出三电平SVPWM 控制方式中经典的分区规则和矢量选择表，很好地解决了矢量选择、开关次数最少、中点电压控制等问题[8]，但这些规则很难推广到5 电平甚至更多电平的应用场合。

谐波消除SHE 调制是一种低频的调制方案，其优点是在很低开关频率下，通过优化开关角，可以消除一些主要的低次谐波，并且随着电平数增多，可消除的低次谐波也增多。

实际上，基于载波的PWM 调制和空间矢量调制在数学本质上是一致的[9-10]，空间矢量调制各种控制方法，原则上可以在载波PMW 调制通过零序分量注入的方式实现。因此，在工程开发设计上建议注重采用通用性更好的载波PMW 调制方式。

4 三电平变流器应用中的主要问题

4.1 中点电压平衡控制

对于3L_NPC 拓扑而言，虽然其结构简单、变换性能优良，但存在着直流侧电容电压的平衡问题。目前，三电平逆变电源直流侧电容电压平衡的控制措施主要有以下3 种：

1）直流侧2 个电容采用独立的直流电源[11]。比如，直流电源可以通过多绕组变压器和功率管整流得到，但只适用于输入为交流的场合，并且需要增加等容量的变压器，造成设备重量和体积大、成本高。

2）采用辅助的硬件或电路平衡直流侧电容电压[12]。通过独立电路实现的电容电压平衡控制方法，需要附加硬件电路和控制算法，增加了逆变电源软硬件设计的复杂程度。

3）在三电平控制策略中考虑中点平衡控制算法[13]。从三电平调制的角度可以分析得到各开关状态和负载电流对中点电压平衡的影响，通过优化选择冗余小矢量和分配其作用时间，使中点电位电压平衡。

4.2 输出短路快速限流与保护

当三电平变流器应用于舰船交流电力系统，作为全船的交流电源运行，将面临其输出短路快速限流与安全保护问题。

短路限流运行是三电平变流器作为电网主电源运行时，为实现交流系统选择性保护策略所需满足的特殊要求[14]。针对这一特殊问题，文献[15]提出了软件与硬件电流环相配合的短路限流方法，分析了并联情况下的短路限流和退出策略，提出通过增加一路同步信号解决并联逆变电源退环不一致的问题。对于舰船电力系统中的中压大功率变流器而言，其短路限流值往往接近达到目前商用IGBT 器件的极限，其短路限流的运行状态比常规工业应用更为恶劣，对限流控制策略的要求也更高，难度更大。

此外，3L_NPC 拓扑中桥臂内管的开关器件，由于箝位二极管结电容、分布参数和驱动延时不一致等因素的影响，在关断过程中并不能保证动态过程的均压，内管器件会承受更高的电压应力。因此，在出现严重过流故障需要立即封锁开关器件时，可能会造成桥臂内管的过压击穿。对于这一问题，在设备设计和应用时，要从缓冲电路、分布参数控制、开关延时匹配等多方面加以有效控制，才能保证三电平变流器在工程应用中的可靠运行。