现代多电平变流器的工业应用和技术展望

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5/2007收稿日期：2007-06-20

作者简介：彭方正（1963-），男，博士，教授，I E E E 电力电子学刊编委，I EE E 工业应用学会工业变换器委员会委员，

研究方向：电力系统电力电子技术（包括：无功补偿、有源电力滤波、电力调节器、灵活变流输电等），高性能特大功率变换技术（包括：特大功率高电压交流调速系统等）；

钱照明（1939-），男，教授，博士生导师，目前主要研究领域：电力电子应用技术，电力电子系统电磁兼容及电力电子系统集成等。

现代多电平变流器的工业应用和技术展望

彭方正1，2，钱照明 1，罗吉盖斯3，赖泽生4

（1.浙江大学，浙江杭州310027；2.密西根州立大学，美国；

3.圣玛利亚州立理工大学，

智利；4.维吉利亚州立理工大学，美国）摘 要：系统地综述了多电平变流器在大功率中压交流调速和电力系统用高压电力电子装置中的应用，以及在低压高质量供电系统中的应用及发展前景。

关键词：整流机组；谐波分析；功率因数；滤波器中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1671-8410(2007)05-0001-08

Novel Multilevel Converters: A Survey of Industrial

Applications and Technology Prospect

PENG Fang-zheng 1, 2, QIAN Zhao-ming 1, Jos é Rodr íguez 3, Lai Jih-Sheng 4

(1. Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310027,China; 2. Michigan State University, East Lansing, USA; 3. Universidad

T écnica Federico Santa Maria Instituci ón, Chile; 4. Virginia Polytechnic Institute and State University, USA)

Abstract: This paper reviews the latest and more related industrial applications of multi-level inverters in both high power medium voltage AC drives and power electrical apparatus in power systems, as well as in low voltage high performance power supply systems, The possibilities for future development are also addressed.

Key words:

rectifier unit; hamonics analysis; power factor; filters

0引言

高压大电机变频调速是多电平变换器应用的重要

领域，在高压大功率电机调速中，传统的二电平高频PWM 逆变器存在以下几个问题：因高频导致很高的d v /d t 和浪涌电压，

而引起电机转子绕组绝缘击穿；高频开关产生很高的器件电压应力和很大的开关损耗，使效率降低；高频开关对附近的通信或其他电子设备产生宽频带的EMI(10 kHz ～30 MHz)；功率因数低等。而

多电平变换器在输出相同质量电压波形的条件下，开关器件电压应力大大减小，工作频率大为降低，特别适合于高压大功率电机驱动，如二极管箝位五电平GTO 逆变器已成功地应用于7.46 kV 、22 MVA 的功率异步电机的驱动，所采用的功率器件是ABB 公司4.5 kV 、3 kA GTO 。仿真和实验结果表明，该方案在电机转速范围，动态响应时间和允许力矩纹波方面都达到了令人满意的程度。另外，美国ROBICON 公司采用级联式多电平变换器结构原理，已生产出2300～7200 Vac 、400～7500 kW 系列“完美无谐波”高压交流变频器，其变频器部分效率高达98%以上，

包括输入变压器在内的整个变频系统的效率也高达96%以上，在正常变速范围内功率因数超过0.95，无需任何功率因数补偿电容，无谐波污染，即使在电源容量不超过变频器额定容量时，也能满足IEEE519-1992标准对电压失真和电流失真最严格的要求。在国内，已有几家公司能生产采用国外技术的大功率多电平中压

变频器产品。

多电平变流器应用的另一个重要领域是电力输电和配电系统。近年来，因为对电力需求的增加和非线性电子设备和敏感负载对电力质量的高要求，电力电子装置在配电和电力质量控制中的应用已经成为热门课题，为了得到最大的输电量和保证在分布系统的公共点有高的电力质量，电压调节、无功/谐波补偿已成为必不可少的技术。众所周知，无功补偿经历了早期基于并联补偿原理的常规静止无功补偿器SVC之后，随着现代功率器件与功率变流电路及控制技术的发展，产生了多种新型无功补偿装置，如静止无功发生器(SVG)、静止同频补偿器（STATCOM）等，而这些设备的核心就是高压大功率电压源逆变器（VSI）。传统的做法是，由几个电压源逆变器通过折叠式变压器连接在一起，组成多脉逆变器用来作为可再生能源发电设备的接口或者无功/谐波补偿，这类设备需要昂贵、笨重的多脉变压器。多脉变压器产生的损耗占到整个系统损耗的50%，占地面积为整个系统的40%，而且它会造成因直流激磁引起的控制困难以及由于变压器饱和可能引起的逆变器过电压，并且易出故障。为此，高开关频率（大约10 kHz）的PWM逆变器已用于谐波补偿，但其昂贵的起始和运行成本阻碍了它在配电系统中的实际应用。而级联多电平逆变器由于要求的元器件较少，在工频的每一个周期仅仅开关一次就可以产生接近正弦波的阶梯波，因而它可以不用笨重的变压器，并且与传统的PWM逆变器相比大大地减少了起始和运行成本，更加适用于电力系统。国外数年前就已有应用高压大功率三电平或五电平逆变器的SVG产品问世。最近，我国上海西郊变电站拟建30 kV/± 50 MVA 的STATCOM，每臂拟采用10个由IGCT组成的级联多电平主电路结构和基频PWM控制方式。这表明我国多电平逆变器的应用也已开始进入实际使用阶段。

最近我们还提出将通用型级联多电平变流技术应用于低压DC/DC变流器[1]，随着超级电容技术及电力电子系统集成技术的发展，级联多电平变流技术的应用领域一定会得到进一步拓展。

本文着重对上述诸项多电平变流应用技术进行较全面的综述和分析，以期进一步推动我国高压大功率电力电子应用技术的发展。

1多电平变流技术在中/高压大功率电力传动

1.1带有非再生前端的大电机传动

强制风冷IGBT的二极管箝位三电平逆变器已广泛地应用于中压（2.3kV，3.3kV，4.16kV甚至6kV）电力传动领域。这些应用覆盖了很大范围的大功率负载，其中包括大功率风机，水泵，鼓风机，压缩机和输运机。

应用这些大功率逆变器时，大功率电力传动装置将其整流部分直流侧电容滤波器导致的谐波电流注入电网，增大了网侧输入电流和输入电压的畸变。图1示出的用12脉输入整流器的三电平二极管箝位逆变器，是减少网侧输入电流谐波，满足谐波标准的解决方法之一。许多制造商还采用18脉和24脉整流器来改善网侧输入电流的质量。图2是一个采用电容器箝位拓扑的三电平逆变器和18脉输入整流器的示意图[1]，其中，各次级电压相位互差20°。使用这种形式的输入整流器时，输入电流中的谐波大为减少，电压总畸变率（THD）可达到小于1.55%[2]。

采用级联多单元逆变器，同样可以使网侧输入电流的畸变减小。图3是七电平级联逆变器示意图，它应用于2.3 kV电网非再生电力传动装置。这种逆变器每相采用3个逆变器单元，每个单元的输入部分有一个能量不能再生的三相二极管整流器。它的输入电流符合IEEE 519-1992标准。在每相有5个单元的4.16 kV逆变器的情况下，输出电压的质量可以达到很高，THD将小于10%。在该十一电平逆变器中，逆变器的输入电流具有

系统中的应用图2用18脉输入整流器的三电平电容器箝位逆变器Fig.2Three-level capacitor-clamped inverter with 18-pulse

input rectifier

图1用12脉输入整流器的三电平二极管箝位逆变器Fig. 1Three-level diode clamped inverter with 12-pulse

input rectifier