多電平高壓變頻器是我們國家近年來在電力電子領(lǐng)域的一個研究重點，它作為一種應用于高壓大功率變換場合的新型變頻裝置，將可以很有效的應用在那些高壓風機、水泵、壓縮機的節(jié)能改造中，同時也可以大量的采用在工藝和設備要求的電壓等級較高和容量較大的交流調(diào)速的環(huán)境中。其主回路的拓撲結(jié)構(gòu)是本文探討與剖析的主題，本文以歐洲的阿爾斯通電氣公司在我國的寶新不銹鋼廠和太鋼應用在軋機主傳動上的交流、高壓、多電平的變頻器為例進行了剖析。

1、引言

交流電機變頻調(diào)速已經(jīng)是當前各行各業(yè)都普遍關(guān)注的重大項目。人們期待用高效率、高可靠而又經(jīng)濟可接受的變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)交流電機的轉(zhuǎn)速已達上百年的歷史了。在20世紀60年代后半期，電力半導體器件及其在變頻器應用中的進步，成就了發(fā)達國家在70年代初的第一次世界能源危機期間用變頻調(diào)速實現(xiàn)高效節(jié)能事業(yè)的大發(fā)展。對于交流電動機，改變頻率即能調(diào)速。隨著可控硅、GTO、IGCT和IGBT等電力電子元器件的開發(fā)，相應的控制技術(shù)的發(fā)展和這些電力電子器件的高度集成化，使得變頻器在工業(yè)中得到了更廣泛的應用。受限于電力電子元器件的開發(fā)與應用，在過去的十幾年中還基本上是以低壓變頻調(diào)速裝置為主，即：電壓為380V～690V，工業(yè)中大量應用的大容量的高電壓的交流電動機還僅僅采用其他的調(diào)速方式或不調(diào)速的形式運行在工業(yè)系統(tǒng)當中，從而消耗了大量的能源。

根據(jù)目前各主要變頻器的制造廠家的不同研制和開發(fā)，現(xiàn)有的高壓變頻器的組成方式也不盡相同。根據(jù)電壓的不同，可分為直接高壓型和通過升壓變壓器的高-低-高型（實際為低壓變頻器）；根據(jù)中間的耦合形式，分為交-交型的變頻器和交-直-交型的變頻器；而根據(jù)中間直流偶合環(huán)節(jié)組合的不同又分為電壓源型的變頻器和電流源型的變頻器。我們知道低電壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)都為統(tǒng)一形式的二電平結(jié)構(gòu)方式。而由于電力電子元器件的耐壓受到限制，不同的電力電子元器件的開關(guān)頻率的不同，使得近年來開發(fā)出來的高電壓、大容量的變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)形式也是各有千秋。但考慮到整個系統(tǒng)的簡單、可靠和經(jīng)濟，目前應用的高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)還主要集中在三電平和四電平的形式上。

近兩年來我國在工業(yè)新上項目中先后從歐洲的阿爾斯通電氣公司引進了幾套四電平電壓源拓撲結(jié)構(gòu)形式的高壓變頻器，它們先后應用在我國的太原鋼鐵公司、寶新不銹鋼廠（隸屬于寶鋼）、青島鋼鐵有限公司和天津無縫鋼鐵總公司。其傳動系統(tǒng)采用的是當今傳動控制中較為先進的ALSTOM公司的多電平拓撲結(jié)構(gòu)、IGBT元器件的交流高壓變頻調(diào)速裝置。此系統(tǒng)的較大特點是，系統(tǒng)為交流高壓變頻調(diào)速裝置；主回路采用的是四電平IGBT結(jié)構(gòu)；3臺4MW的交流同步主電機共用一條公用直流母線，達到了系統(tǒng)的高性能工藝調(diào)速要求，同時系統(tǒng)方案又經(jīng)濟、可靠、節(jié)能和較優(yōu)化配置。整流則采用的是當今較為先進的稱之為清潔型能源變流器[1]。此類變頻器即可應用在風機、泵、壓縮機類的主轉(zhuǎn)動上，也可應用在 工藝性能要求高的軋機生產(chǎn)上和大型船舶驅(qū)動上。

2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

近年來隨著電力電子元器件和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，GTO、IGCT和IGBT的開發(fā)以及變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)形式上的發(fā)展，使得高壓、大容量變頻器得以迅速應用在工業(yè)系統(tǒng)當中。變頻傳動裝置首先經(jīng)歷的是在原有的二電平控制結(jié)構(gòu)基礎上并串聯(lián)上多個元器件，其二電平輸出波形見圖1（a）。元器件的并聯(lián)連接，輸出電壓要滿足元器件承受電壓的要求，這種連接方式所引起的問題與復雜的均流裝置相絞合在一起，電路的復雜程度常常易造成元器件的損壞；對于串聯(lián)元器件的連接形式，輸出電流同樣要滿足元器件的承受能力要求，要確保其分布在元器件上的電壓在任何情況下都要均衡，故也容易常常發(fā)生系統(tǒng)的故障。因此從系統(tǒng)的可靠性的角度來說，它們都很難保證系統(tǒng)的可靠運行，同時輸出波形也很差。

圖1 不同電平結(jié)構(gòu)圖和輸出波形圖

近年來在電力電子元器件發(fā)展的同時，變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)也在隨之得到開發(fā)，伴隨著電力電子元器件的耐壓和承受電流的限制，變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)了三電平、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的形式。對于三電平、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的變頻器，它提供給電動機非常小的諧波電流且電流波形也更接近交流電動機要求的正弦波電流波形，如圖1所示。通過這種拓撲結(jié)構(gòu)我們可知隨著多電平的增加，其電壓幅值在相應的降低，這使功率元器件所承受的電壓降低，更加有利于減少裝置產(chǎn)生的dv/dt。當前的大容量、高壓變頻器，既要保證大功率的輸出，又要確保系統(tǒng)的可靠運行，還要保證輸出波形更趨近于正弦波。目前在高壓、大容量的變頻器中常常采用的多電平的結(jié)構(gòu)和輸出波形如圖1所示。三電平的結(jié)構(gòu)方案在近年來的發(fā)展中既使用有GTO（以及較近的IGCT中）元器件，也采用在IGBT的方案中（目前幾個著名的大公司如西門子，ABB和阿爾斯通都有此類產(chǎn)品）。但它的不足是元器件的導通或阻斷是由箝位二極管來加以保證的，箝位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大；開關(guān)器件的導通負荷不一致；在變流器進行有功功率傳送時，直流側(cè)各電容的沖放電時間各不相同，容易造成電容電壓的不平衡，增加了系統(tǒng)動態(tài)控制的難度；同時這種結(jié)構(gòu)的擴展能力也很有限。

隨著現(xiàn)代拓撲技術(shù)的發(fā)展，多電平的變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)方案得以在工業(yè)系統(tǒng)中應用。圖2就是較近我國從歐洲阿爾斯通公司引進的應用于軋機控制的高壓、大容量、四電平變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)圖，從圖2中可以清楚地看到它的結(jié)構(gòu)特點，即模塊化的結(jié)構(gòu)。這種變頻器的特點是保證了元器件的串并聯(lián)連接，同時它又不是元器件的簡單的串并聯(lián)而是從結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)連接，它確保了電壓安全和自然分配。其較為明顯的特點為：

目前我們知道在工業(yè)中采用的高壓標準為3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照這些標準，通過整體的單元裝置的串并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)技術(shù)去滿足不同等級的電壓要求；
由于這種結(jié)構(gòu)特點，使當今系統(tǒng)普遍采用的多臺變頻共用一條直流母線的方案非常容易實現(xiàn)，以達到在系統(tǒng)內(nèi)部的能量互相交換；
這種結(jié)構(gòu)取消了我們傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的在各級元器件上的眾多分壓分流保護裝置，可以使電路的各個單元彼此相互隔離，使得系統(tǒng)既簡單，又可靠且易于維護。從而消除了串并列多個半導體元件所帶來的系統(tǒng)可靠性差的因素；
由于此結(jié)構(gòu)采用的是IGBT元器件，它的開管頻率高，觸發(fā)電流小，且IGBT非常容易在市場找到，從而為我們的開發(fā)和應用帶來了極大的選擇機會。

圖2 四電平結(jié)構(gòu)原理圖

從圖2可以看出，這種結(jié)構(gòu)的輸出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流變頻傳動系統(tǒng)對傳輸電纜以及電機和變壓器繞組的危害性較大。而對于多電平結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正好在這方面是它的優(yōu)勢，應該說電平級數(shù)越多其輸出波形越接近于正弦波。

3、四電平傳動結(jié)構(gòu)的控制原理

四電平控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對的方式構(gòu)成的，而每一對都是基于傳統(tǒng)的二電平的控制思想去進行控制的。圖3表明了此四電平的運行原理圖和各大功率元器件所承受的電壓以及各電容上分布的電壓。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出整個電路所承受的電壓為：V，2/3V，1/3 V，但在每一處于阻斷狀態(tài)的功率元器件的電壓總是1/3V。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)圓滿解決了各功率元器件上所承受的電壓動態(tài)和靜態(tài)的問題，同時不同的一對元器件的控制是在不同的時間段也限制了dv/dt的問題。實際上各元器件上所承受的浮動電壓是由各電容來提供的，電路在換相過程中對各電容進行充放電，其電容電壓遵守著如下的規(guī)則[2]：

這里的n為每一相共有幾對大功率元器件的個數(shù)，例如：四電平結(jié)構(gòu)的每相共有3對大功率元器件，即在這里 n=3。從電路結(jié)構(gòu)中我們知道在每一功率元器件通過的電壓取決于電容上的電壓Ck和Ck-1并由下式給出：

現(xiàn)在我們知道每一阻斷大功率元器件上所承受的電壓為V/n，并且導通的元器件的電壓為0。這就證明了圖（3）的四電平的輸出電壓波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平結(jié)構(gòu)的換相控制要同時滿足：
電容電壓要恒定，即

為了決定對每一對大功率元器件的控制類型，我們假定其較初的電壓值Vck是由給出，并研究保持這些電壓恒定的條件。

每一電容Ck都與功率元器件之間連接著，并取決于這對元器件開關(guān)的狀態(tài)，在這個電容上的電流是+I，0，-I， 它能表達為：，這里的Sk和Sk+1是0或1（這將根據(jù)功率元器件開關(guān)的狀態(tài)）。這個方程給出了下列電壓Vck k＝1…n的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件：

當電流I在一開關(guān)段為積分恒定時，則對電壓Vck k＝1…n穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件可寫為：

圖3 四電平結(jié)構(gòu)運行控制原理圖

我們知道對于這種四電平結(jié)構(gòu)所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調(diào)