整流器功率平衡的多級串聯高壓變頻器

江劍峰 王 虎 曹中圣 楊喜軍

(上海交通大學電氣工程系，上海 200240)

0 引言

中高壓變頻器在石油、化工、煤炭等行業的應用范圍越來越廣，產生的經濟效益與社會效益越來越明顯。目前在用的中高壓變頻器方案包括高壓大電流IGBT直接串聯的兩電平逆變器、單相輸出逆變器的多級串聯變頻器、二極管鉗位的三相直接輸出的三電平逆變器，這些方案各有優缺點和不同的使用條件。對于N級串聯的多級串聯變頻器，屬于高－低－高方案，其特點是:(1)網側降壓變壓器次級三相繞組數量為3N，能夠輸入單位功率因數;(2)整流器與逆變器數量均為3N，一個整流器配置一個逆變器;(3)逆變器直接輸出串聯，輸出電壓多電平。其優點明顯，如輸入單位功率因數，輸出電壓多電平，能夠負擔更大的功率輸出，體系清楚和設計簡單。但是也存在一些明顯的不足，即網側變壓器次級繞組多，整流器數量多，設計復雜。電解電容負荷不平衡，增加了網側電流的波形畸變。負載與逆變器直接電氣相連，安全可靠性下降。鑒于此，提出新型整流器功率平衡的多級串聯高壓變頻器，除了具有多級串聯高壓變頻器的優點外，還可以克服上述不足。本文在分析這種變頻器的拓撲構成和載波移相調制原理后，采用MATLAB/SIMULINK給予仿真分析，驗證了這種多級串聯高壓變頻器的可行性。

傳統多級串聯中壓變頻器如圖1所示，圖中串聯級數為 N=5。

整流器功率平衡的 N級串聯高壓變頻器如圖2所示，其主電路包括以下幾部分:網側工頻變壓器，變換器陣列和載側高頻變壓器。

對于變換器陣列，具有 N個整流器，每個整流器負擔構成三相對稱平衡的三個單相逆變器，共計3 N個逆變器。整流器可以為二極管不控整流器、PWM電壓型整流器與PWM電流型整流器等。由于整流器的負載平衡，整流器的設計得到簡化，其輸入電流獲得對稱。電解電容的容量得到降低，逆變器輸出電壓獲得穩定。比傳統級聯方案減少2 N個整流器，但是每個整流器的容量比傳統級聯方案增加2倍。

1 多級串聯高壓變頻器的電路拓撲

對于網側工頻變壓器，其功能與傳統級聯方案相同，屬于降壓型變壓器。如果后級采用高功率因數或單位功率因數整流器，網側工頻變壓器的次級繞組可以Y接，簡化變壓器的設計。如果后級采用二極管不控整流器，網側工頻變壓器的次級繞組與傳統級聯方案相同，次級繞組需要采用不同的連結組別。次級繞組數量比傳統級聯方案減少2 N個，也簡化了的設計，但是每個次級繞組的容量增加2倍。

圖1 傳統多級串聯高壓變頻器框圖(N=5)

圖2 新型多級串聯高壓變頻器框圖(N=5)

對于載側高頻變壓器，起到電氣隔離或升壓作用，工作在高頻斬波狀態下。具有 N個高頻變壓器，每個高頻變壓器的初級具有三個單相繞組，分別連接一個逆變器的輸出，次級具有三個單相繞組，依次與其它高頻變壓器的次級繞組串聯，形成一相高壓輸出。高頻變壓器的次級一次連接，形成3相變頻高壓輸出U、V和W。

由于載側變壓器的作用，使得負載側與變換器陣列隔離，提高了整個系統的安全可靠等級，同時可以制作成升壓變壓器，使得升壓范圍更寬。由于逆變器工作在較高的開關頻率下，載側變壓器的體積遠遠低于傳輸相同功率的工頻變壓器。

如果串聯級數較多，例如 N=5，這種整流器功率平衡的多級串聯高壓變頻器可以代替傳統級聯高壓變頻器，支持高壓變頻大功率輸出。如果N=3也可以制作成高壓小功率輸出，此時不妨稱為”輕型高壓變頻器”。顯然，這種多級串聯高壓變頻器有兩種構成方式:對稱型和不對稱型。不對稱型包括IGBT逆變器單元和IGCT逆變器單元不對稱型、兩電平逆變器單元和三電平逆變器單元不對稱型。

2 多級串聯高壓變頻器的調制原理

對于對稱型多級串聯高壓變頻器，其PWM調制原理與傳統級聯高壓變頻器的相同，包括多載波PWM調制和載波相移PWM調制等。以載波移相PWM調制和 N=5級串聯為例，說明這種多級串聯高壓變頻器的調制原理。

載波相移SPWM技術是PWM技術在多級串聯變頻器的擴展應用，每個逆變器單元的PWM信號都是由一個三角載波和一個正弦波比較產生，所有逆變器單元的正弦調制波信號都相同，但每個功率單元的三角載波信號與它相鄰的三角載波信號之間有一定角度的相移，這種相移使得各逆變器單元所產生的PWM脈沖在相位上錯開，從而每個逆變器單元輸出都是基波相同的脈沖錯開的SPWM波，使各功率單元最終疊加輸出的PWM波形的等效開關頻率得到提高。對多級串聯變頻器在不提高開關頻率的條件下，可以提高等效載波頻率，減小輸出電壓諧波，并且使得每個逆變器單元的輸出功率相同，N=5時載波相移SP WM原理如圖3所示，圖中包括相移為(/N和2(/N兩種情況，由于 N=5，等效載波頻率為2 N倍載波頻率，輸出相電壓的電平數為2 N+1，輸出線電壓的電平數為2(2 N+1)－1=4 N+1。

圖3 載波相移SPWM調制原理(N=5)

載波相移SPWM技術的基本思想是:N個逆變器單元均采用低開關頻率的SPWM調制，并具有相同的頻率調制比，幅度調制比和共同的正弦波調制信號，而各變頻器單元的三角載波的相位角依次差一個角度，利用SPWM技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生載波相移SPWM波形。

3 仿真分析與實驗結果

圖4 多級串聯高壓變頻器的仿真電路(不控整流器)

圖5 網側交流電壓與電流的仿真波形(不控整流器)

圖6 載側交流電壓與電流的仿真波形(不控整流器)

圖7 網側交流電壓與電流的仿真波形(電壓型整流器)

圖8 載側交流電壓與電流的仿真波形(電壓型整流器)

圖9 網側交流電壓與電流的仿真波形(矩陣整流器)

圖10 載側交流電壓與電流的仿真波形(矩陣整流器)

利用MATLAB/SIMULINK建立圖2的三相新型多級串聯高壓變頻器的仿真電路，如圖4所示。三相交流輸入線電壓6.0kV，網側變壓器次級電壓為690V，N=5，整流器為二極管不控整流器，直流濾波電解電容為4700μF，2并2串，均壓電阻為68kΩ。網側工頻變壓器次級繞組的基本相位差為60°/5=12°，載側高頻變壓器的電壓變比為1:1.15。逆變器的開關頻率為1kHz。采用相移角度為2π/N=2π/5=72°的載波相移 SPWM調制原理。異步電機帶恒轉矩為4000N＊M的負載，其轉速可穩定在270rad/s，可見整機輸出負載功率可達1MW。網側與載側交流電壓與電流的仿真波形分別如圖5、6所示，為觀察方便，將電流放大5倍。

整流器為電壓型PWM整流器，直流濾波電解電容為4700μF，2并2串，均壓電阻為68kΩ，交流升壓電感為1mH，直流回路電壓為1500V。載側高頻變壓器的電壓變比為1:0.7。網側與載側交流電壓與電流的仿真波形分別如圖7、8所示。為觀察方便，將電流放大4倍。

整流器為矩陣整流器，直流濾波電感為1mH，電解電容為330μF，2并2串，均壓電阻為68kΩ，交流濾波電感為1mH，交流濾波電容為4.7μF，直流回路電壓為800V，載側高頻變壓器的電壓變比為1:1.37。網側與載側交流電壓與電流的仿真波形分別如圖9、10所示。為觀察方便，將負載電流放大4倍。

4 結論

提出和分析了一種整流器功率平衡的多級串聯高壓變頻器，由網側工頻降壓變壓器、整流器與逆變器陣列、載側高頻升壓變壓器構成。串聯級數為N的多級串聯高壓變頻器包括N個降壓變壓器次級繞組、N個整流器和3N個單相逆變器以及N個由單相變壓器構成的三相逆變器。其特點:(1)網側變壓器設計簡化，實現輸入單位功率因數;(2)整流器數量減少，瞬時負載平衡，電解電容容量下降和壽命提高;(3)載側變壓器開關頻率高，體積減少，電壓變比可調;(4)輸出電壓多電平，簡化輸出濾波器設計和降低共模電壓干擾;(5)當采用PWM可控整流器時，具有四象限工作能力。

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