应用在工业系统中高压多电平变频器剖析

前在高压、大容量的变频器中常常采用的多电平的结构和输出波形如图1所示。三电平的结构方案在近年来的发展中既使用有GTO（以及最近的IGCT中）元器件，也采用在IGBT的方案中（目前几个著名的大公司如西门子，ABB和阿尔斯通都有此类产品）。但它的不足是元器件的导通或阻断是由箝位二极管来加以保证的，箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大；开关器件的导通负荷不一致；在变流器进行有功功率传送时，直流侧各电容的冲放电时间各不相同，容易造成电容电压的不平衡，增加了系统动态控制的难度；同时这种结构的扩展能力也很有限。

随着现代拓扑技术的发展，多电平的变频技术结构方案得以在工业系统中应用。图2就是最近我国从欧洲阿尔斯通公司引进的应用于轧机控制的高压、大容量、四电平变频器的拓扑结构图，从图2中可以清楚地看到它的结构特点，即模块化的结构。这种变频器的特点是保证了元器件的串并联连接，同时它又不是元器件的简单的串并联而是从结构上的串联连接，它确保了电压安全和自然分配。其最为明显的特点为：

目前我们知道在工业中采用的高压标准为3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照这些标准，通过整体的单元装置的串并联拓扑结构技术去满足不同等级的电压要求；
由于这种结构特点，使当今系统普遍采用的多台变频共用一条直流母线的方案非常容易实现，以达到在系统内部的能量互相交换；
这种结构取消了我们传统结构中的在各级元器件上的众多分压分流保护装置，可以使电路的各个单元彼此相互隔离，使得系统既简单，又可靠且易于维护。从而消除了串并列多个半导体元件所带来的系统可靠性差的因素；
由于此结构采用的是IGBT元器件，它的开管频率高，触发电流小，且IGBT非常容易在市场找到，从而为我们的开发和应用带来了极大的选择机会。

图2 四电平结构原理图

从图2可以看出，这种结构的输出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流变频传动系统对传输电缆以及电机和变压器绕组的危害性最大。而对于多电平结构系统正好在这方面是它的优势，应该说电平级数越多其输出波形越接近于正弦波。

3、四电平传动结构的控制原理

四电平控制结构如图2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成对的方式构成的，而每一对都是基于传统的二电平的控制思想去进行控制的。图3表明了此四电平的运行原理图和各大功率元器件所承受的电压以及各电容上分布的电压。从电路结构上可以看出整个电路所承受的电压为：V，2/3V，1/3 V，但在每一处于阻断状态的功率元器件的电压总是1/3V。这种结构技术圆满解决了各功率元器件上所承受的电压动态和静态的问题，同时不同的一对元器件的控制是在不同的时间段也限制了dv/dt的问题。实际上各元器件上所承受的浮动电压是由各电容来提供的，电路在换相过程中对各电容进行充放电，其电容电压遵守着如下的规则[2]：

这里的n为每一相共有几对大功率元器件的个数，例如：四电平结构的每相共有3对大功率元器件，即在这里 n=3。从电路结构中我们知道在每一功率元器件通过的电压取决于电容上的电压Ck和Ck-1并由下式给出：

现在我们知道每一阻断大功率元器件上所承受的电压为V/n，并且导通的元器件的电压为0。这就证明了图（3）的四电平的输出电压波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平结构的换相控制要同时满足：
电容电压要恒定，即

为了决定对每一对大功率元器件的控制类型，我们假定其最初的电压值Vck是由给出，并研究保持这些电压恒定的条件。

每一电容Ck都与功率元器件之间连接着，并取决于这对元器件开关的状态，在这个电容上的电流是+I，0，-I， 它能表达为：，这里的Sk和Sk+1是0或1（这将根据功率元器件开关的状态）。这个方程给出了下列电压Vck k＝1…n的稳定状态的稳定条件：

当电流I在一开关段为积分恒定时，则对电压Vck k＝1…n稳定状态的稳定条件可写为：

图3 四电平结构运行控制原理图

我们知道对于这种四电平结构所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路则采用的是PWM方式的调制技术。其控制回路采用了目前在工业系统中大量应用的高性能控制器（工业用计算机），用它来分配系统的工作周期和发送控制周期，在一个控制周期分成几个阶段，在每一阶段严格按照导通和关断的规律去控制IGBT功率元器件开关动作。从图3中我们可以很直观地看到各阶段各开关元器件的导通，关断的过程。例如在A段：1#，2#和3#的开关导通C1上充有正向电流；而在C段：2#，1#和3#的开关导通，而C1此时为放电状态。不管怎样我们的负载侧在一个周期内的各个阶段得到都是1/3V。同时我们很直观地看出在