能量回饋型多單元串聯(lián)高壓變頻器綜述

1、ELECTRICDRIVE2012Vo142No12電氣傳動2012年第42卷第12期能量回饋型多單元串聯(lián)高壓變頻器綜述周京華，國敬，章小衛(wèi)，陳亞愛(北方工業(yè)大學(xué)北京市變頻技術(shù)工程研究中心，北京1OO144)摘要：多電平變頻器因其輸出功率大、輸出波形好，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。其中多單元串聯(lián)型多電平變頻器因其優(yōu)越的性能而受到廣泛的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的多單元串聯(lián)變頻器由于前端采用不控整流結(jié)構(gòu)，不能實現(xiàn)能量的雙向流動，限制了其在需要能量回饋場

2、合中的應(yīng)用。詳細(xì)分析了目前多單元串聯(lián)能量回饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，比較了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點，對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略、整流側(cè)電流及直流母線諧波特性進(jìn)行了深入分析。最后，確定了一種適合我國工業(yè)發(fā)展的能量回饋拓?fù)?。關(guān)鍵詞：多單元串聯(lián)；能量回饋；控制策略；諧波特性中圖分類號：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AOverviewofRegenerativeMulticellCascadedHigh—voltageConverterZHOUJing—hua，GUOJ

3、ing，ZHANGXiao—wei，CHENYa—ai(InverterTechnologiesEngineeringResearchCenterofBeijing，NorthChinaUniversityofTechnology，Beijing100144，China)Abstract：Thetopologyofmultilevelinverterismature，andhasbeenwidelyusedinindustryAmong

4、differenttopologies，thecascadedmultilevelinverterhasreceivedmuchattentionbecauseofitssuperiorperformanceHowev—er，thetraditionalcascadedmultilevelinverterusescellswithdioderectifiersthatdoesnotallowatransferofpowerfromthe

5、loadtothepowersupply(regeneration)，limitedtheapplicationsofdemandingregenerationThecurrentto—pologiesofcascadedmultilevelinverterwithregenerationwereanalyzedandthecharacteristicsofthevarioustopologieswerecompared，thecont

6、rolmethodwithcontrolblockdiagramwasdescribedFinally，atopologyofregenerationwasidentifiedthatcansuittheindustrialdevelopmentofourcountryKeywords：cascadedmuhicell；regeneration；controlstrategy；harmoniccharacteristic1引言近些年來，

7、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)對高壓大功率逆變器的廣泛需求，多電平變換技術(shù)憑借其輸出電壓等級高、輸出波形好、開關(guān)損耗小、功率容量大等優(yōu)點，在高壓大功率場合中得到充分的重視和應(yīng)用[1q]。目前，已有的應(yīng)用主要集中在3～10kV的高壓交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域；其中，多單元串聯(lián)型多電平逆變器是6～1OkV電壓等級采用的主要拓?fù)鋄3]，其結(jié)構(gòu)是采用若干個功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓輸出，圖1為6單元串聯(lián)型高壓變頻器結(jié)構(gòu)，功率單元結(jié)構(gòu)如圖2所示L4]。該結(jié)構(gòu)具

8、有模塊化的特點，易于擴(kuò)展，控制相對簡單，輸入輸出波形好，而且容易實現(xiàn)冗余運(yùn)行。但是，傳統(tǒng)的多單元串聯(lián)型多電平變頻器功率單元結(jié)構(gòu)由三相二極管整流橋、直流濾波電容圖16單元串聯(lián)型高壓變頻器結(jié)構(gòu)圖Fig1Sixunitcascadedhighvoltageconverterstructure基金項目：北京市科技新星計劃資助(2009B01)；北京市屬市管高等學(xué)校人才強(qiáng)教計劃資助項目(PHR201008188)作者簡介：周京華(1974一)，男

9、，博士，副教授，Email：zih@ncuteducn3周京華，等：能量回饋型多單元串聯(lián)高壓變頻器綜述電氣傳動2012年第42卷第12期該拓?fù)淙秉c：由于整流側(cè)、逆變側(cè)均為單相H橋結(jié)構(gòu)，由單相負(fù)載的特性可知，功率的瞬時值都包含低頻脈動分量，這些脈動功率的能量必須由直流母線電容吸收，所以該拓?fù)湫枰^大的直流母線電容j。23帶有單相半橋P刪整流器的功率單元拓?fù)鋷в袉蜗喟霕騊WM整流器的功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，其主電路總體結(jié)構(gòu)與圖5相同。圖

10、6帶有單相半橋PWM整流器的功率單兀拓?fù)銯ig6Powerunittopologywithsingle—phasehalfbridgePWMrectifier在圖6中，為功率單元提供單相電源的隔離變壓器結(jié)構(gòu)與圖4所示功率單元拓?fù)洳捎玫淖儔浩魇窍嗤?，即為普通隔離變壓器。該功率單元整流側(cè)是由兩個功率器件組成的單相半橋PWM整流器，逆變側(cè)是由4個功率器件組成的H橋結(jié)構(gòu)，這種拓?fù)洳捎玫墓β势骷鄬τ趫D4所示的功率單元拓?fù)溥M(jìn)一步減少，減少了開關(guān)

11、損耗，而且整個功率單元可以集成在一個商業(yè)化的6單元IPM模塊中。該拓?fù)淙秉c：從開關(guān)器件的耐壓耐流考慮，對整流側(cè)的開關(guān)器件提高了要求，需要使用更大功率的器件。同時，直流側(cè)濾波電容由兩個電容串聯(lián)組成，電容中點電位的平衡問題又增加了控制上的復(fù)雜性_g]。3能量回饋型功率單元的控制策略及諧波分析[。]針對不同的能量回饋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其控制策略及諧波分布特性也不盡相同，下面對這方面內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析。31圖3所示拓?fù)涞目刂撇呗耘c電流諧波分析[73對于圖

12、3中帶有三相PWM整流器的功率單元拓?fù)洌斎腚妷?、電?假設(shè)電壓、電流同相)分別為r口ai===V。sin(co￡)ib=Vimsin(一)inc孥一Iisin一Iimsin)27r、一)(1)I27r、十式中：。，J。分別為功率單元三相輸入電壓、電流的峰值；為電網(wǎng)角頻率。設(shè)功率單元的輸出電壓、電流(負(fù)載為阻感負(fù)載，且只考慮基波分量)分別為。=：、廠。msincu?！?2)1i。===Iomsin(w。t~o)式中：V。，Iom分別為功

13、率單元輸出電壓、電流的峰值；co。為輸出頻率；為功率因數(shù)角。則可以得到功率單元瞬時輸出功率為P。=73oi。=Ecos—cos(2∞。一)](3)由于功率單元逆變側(cè)為單相H橋結(jié)構(gòu)，為了便于分析，對功率單元的輸出構(gòu)造一個三相不平衡系統(tǒng)，三相電壓、電流分別為[％00]，[。0O=『r。在等功率坐標(biāo)變換條件下，將電壓、電流由(n，b，c)變換到(a，，0)，可以得到：]：]111一言一專厶厶。一雩一T娩妲一1一1一1厶厶。一一(4)(5)由P