多電平變換器前景與應(yīng)用

王鉑 周強(qiáng) 姚輝

摘?要：目前多電平逆變技術(shù)在高壓大功率上面的使用受到了高度關(guān)注，成為電力電子領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，其主要控制方法有消諧波PWM法（SHEPWM）和正弦波PWM法（SPWM）。但這兩種控制方法存在輸出電壓總諧波畸變率（THD）偏高或空間電磁波EMI（Electronic Magnetic Interference）等缺點(diǎn)。通過使用面積等效多電平控制算法，應(yīng)用到級聯(lián)5電平變換器中，使輸出電壓波形最大程度等效于正弦波，具有較小的電壓總諧波畸變率。通過數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可以看出，該控制技術(shù)是可行的，與特定諧波消除法比較結(jié)果證明了該控制技術(shù)是行之有效的，并可以用于其他級聯(lián)多電平變換器中。

關(guān)鍵詞：多電平變換器;級聯(lián)多電平變換器;總諧波畸變率

1 多電平變換器的發(fā)展背景

近幾年交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在風(fēng)機(jī)、泵類等等領(lǐng)域開始普及，電壓低于380V的低壓變頻器開始大量應(yīng)用交流調(diào)速技術(shù)。但對于諸如高爐鼓風(fēng)機(jī)、煉鋼制氧機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、電力水泵及工業(yè)引風(fēng)機(jī)等等用于工業(yè)生產(chǎn)的大功率機(jī)械、風(fēng)機(jī)及泵類中，驅(qū)動電機(jī)使用的都是400～40000kW，3～10kV的大功率高壓交流電動機(jī)。而上述這些設(shè)備大都缺乏調(diào)速節(jié)能技術(shù)，從而在運(yùn)行過程中虛耗了大量的電能。大家稱這些設(shè)備是“電老虎”。所以研發(fā)高電壓多電平大容量交流電動機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能設(shè)備和普及使用，能夠有效降低工業(yè)生產(chǎn)的能耗。另外，我國還可以通過大力發(fā)展注入高鐵、地鐵及輕軌等等高速公共交通和新能源汽車來解決日漸嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題。上述這些交通工具都采用了大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。

在很多傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，該技術(shù)近年來推廣應(yīng)用情況也較為良好，并逐漸取代以往的直流調(diào)速技術(shù)。比如在煤炭、水泥、造紙、軋鋼、鐵路和船舶等等工業(yè)領(lǐng)域都普遍用上了大中容量交流電機(jī)調(diào)速裝置。我國大容量交流調(diào)速系統(tǒng)由于開始研發(fā)時間較晚，僅僅只有少量的產(chǎn)品投入使用，目前大多數(shù)應(yīng)用的調(diào)速產(chǎn)品仍然是國外研發(fā)生產(chǎn)。但是一般情況下國外產(chǎn)品價格都比較高，很難被一般用戶所接受。因此研制性能穩(wěn)定，且價位適中的大容量高性能交流變頻調(diào)速裝置并且能夠快速量產(chǎn)，具有非常重要的意義。

目前我國的高壓大容量電子電力變換技術(shù)研究也是新的攻堅重點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，其發(fā)展前景與對社會的意義不亞于計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)及通訊產(chǎn)業(yè)。市場容量也比較大。

進(jìn)入本世紀(jì)以來，諸如德國、法國及日本等等發(fā)達(dá)國家開始加強(qiáng)對節(jié)能技術(shù)方面的研發(fā)及應(yīng)用。上述這些國家在高性能大容量交流電機(jī)傳動技術(shù)方面的研發(fā)生產(chǎn)都居于世界領(lǐng)先地位。在上述這些國家中，電動機(jī)調(diào)速技術(shù)及相關(guān)設(shè)備是一個非常具有實(shí)力和潛力的產(chǎn)業(yè)。MW級的逆變器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全世界的電力機(jī)車、船舶電力推進(jìn)、造紙及軋鋼等高性能的系統(tǒng)中。

從上世紀(jì)80年代開始，我國就開始了對電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，但一直以來其進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。目前我國自主研發(fā)生產(chǎn)的調(diào)速裝置主要采用的都是可控硅直流電機(jī)調(diào)速，其主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、化工、礦井及石油鉆機(jī)等。上述系統(tǒng)制造技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但造價仍然居高不下，且保養(yǎng)維修耗費(fèi)較高，工作量也較大，加上可控硅本身就是污染物，因此該技術(shù)以后必然要被逐步淘汰。大功率交流調(diào)速設(shè)備研發(fā)工作我國也一直在進(jìn)行，并且有相關(guān)的裝置設(shè)備問世。但這些裝置設(shè)備大多采用可控硅交-交變頻調(diào)速，不僅效率不高，而且制造成本較高，可控性較差，且對電網(wǎng)的污染嚴(yán)重，功率因素難以提升，無功損耗也難以降低，應(yīng)用時必須附加昂貴、龐大的諧波治理裝置，這就大大增加了設(shè)備使用成本。

2 多電平變換器在大容量場合的應(yīng)用

與傳統(tǒng)兩電平變換器相比，多電平變換器的優(yōu)勢是十分明顯的，比如可以使用于多個高壓大容量應(yīng)用場景，其中就包括直流—交流變換、直流—直流變換。主要有高壓大容量交流電機(jī)的變頻調(diào)速、交直流間的能量轉(zhuǎn)換、電能質(zhì)量的整體提升等等方面。

在交直流相互轉(zhuǎn)換方面，多電平變換器與兩電平變換器相比控制方法靈活，易于對輸出電壓的相位和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且具有更低的輸出電壓諧波量。可以用于高壓直流輸電超導(dǎo)儲能、同時也可以用于清潔能源的產(chǎn)生和輸送，比如太陽能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電時，其發(fā)出的電能在入網(wǎng)前可以接入高壓多電平變換器。隨著大量的電力電子裝置普及，電網(wǎng)中諧波污染也日漸增加，因此有源濾波裝置及無功補(bǔ)償裝置也需要適應(yīng)高電壓大容量的用途。所以多電平變換器在電能質(zhì)量綜合治理方面表現(xiàn)也較為良好。此外多電平還可應(yīng)用于高壓大電機(jī)的變頻調(diào)速，在電廠的風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載、水廠和鋼廠軋鋼時用到的高壓大容量交流電動機(jī)、軌道電力機(jī)車的動力系統(tǒng)中，通過應(yīng)用多電平變換器進(jìn)行調(diào)速，能夠有效地節(jié)約電能，以及提升電能利用效率。總之，多電平變換器將來的應(yīng)用范圍必然會是越來越廣泛的。

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