高性能大容量交流電機調(diào)速節(jié)能技術(shù)---現(xiàn)狀及展望

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染是人類當前面臨的共同的世紀性難題。上世紀70年代以來兩次世界性的能源危機以及當前環(huán)境問題的嚴重性，引起世界各國對節(jié)能技術(shù)的廣泛關(guān)注。我國能源生產(chǎn)和消費已列世界第二，但仍遠遠滿足不了工業(yè)生產(chǎn)和人民生活發(fā)展的需要，在能源十分緊張的情況下，卻因為在節(jié)能方面的巨大差距，造成單位產(chǎn)值能耗太大，每年的能源浪費驚人。如相當一部分的風機、水泵類負載，由于采取恒速驅(qū)動，浪費掉大量的電能。這類拖動系統(tǒng)約占工業(yè)電力拖動總量的一半，如果采用調(diào)速節(jié)能技術(shù)則至少可節(jié)約20%以上的電能。我國“十一五”規(guī)劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節(jié)能目標，而節(jié)能工作的重點則放在推行量大面廣的節(jié)能技術(shù)上。其中一項重要措施就是要逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，發(fā)展電機調(diào)速節(jié)電和電力電子節(jié)電技術(shù)，只有這樣才能以較低的能源消費彈性系數(shù)和較大的節(jié)能量來長期支持國民經(jīng)濟快速、健康、持續(xù)的發(fā)展。

此外，大量的煤炭、石油沒有經(jīng)過深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對環(huán)境的嚴重污染。目前，汽車廢氣排放過度已造成全球性的溫室效應(yīng)，也是造成北京地區(qū)空氣污染的主要原因之一。解決城市環(huán)境污染和交通擁擠的重要途徑是發(fā)展高速公共交通工具(地鐵，城市輕軌)及電動汽車，高速電氣化列車則是實現(xiàn)城際快速交通的首選，其核心技術(shù)都是上世紀80 年代以來和微電子技術(shù)并駕齊驅(qū)飛速發(fā)展起來的一門新技術(shù)———現(xiàn)代電力電子及交流電機傳動技術(shù)。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進器等工業(yè)和民用領(lǐng)域中也應(yīng)廣泛使用大中容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)。此時，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用不但可達到節(jié)能的目的，還可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

從目前掌握的資料和市場上提供的大容量調(diào)速產(chǎn)品可以看到，目前每年世界范圍內(nèi)的交流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件，軟件和外圍設(shè)備的總銷售額是48.5億美元。其中歐洲、中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統(tǒng)功率的銷售分布看，小功率的調(diào)速系統(tǒng)仍然支配著市場，1~4 kW 的調(diào)速系統(tǒng)占了總銷售額的21%，5~40 kW系統(tǒng)則占總銷售額的26%。但是隨著以IGBT、IGCT為代表的新型復合器件耐壓、電流和開關(guān)性能的迅速提高，大容量交流電機調(diào)速技術(shù)必將獲得飛速的發(fā)展和長足的進步，其市場前景

十分鼓舞人心。

國外在高性能大容量交流電機傳動技術(shù)的研究和應(yīng)用上遠遠走在我們前面，已有MV·A級的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場，并應(yīng)用于電力機車、船艦電力推進、軋鋼、造紙及供水等系統(tǒng)中，交流電機變頻調(diào)速技術(shù)及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達國家的先導產(chǎn)業(yè)。目前我國大、中容量交流調(diào)速系統(tǒng)的研制工作起步較晚，很多必需的場合均為國外產(chǎn)品所占領(lǐng)。

因此，研制性能可靠，價格便宜的大、中容量高性能交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，并盡快投入批量生產(chǎn)，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式轉(zhuǎn)變，降低單位

產(chǎn)值能耗，打破西方國家在此領(lǐng)域的壟斷地位，都將具有重要的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。

1 大容量交流電機調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀80年代以來，現(xiàn)代電力電子技術(shù)開始向高頻、高效(低開關(guān)損耗)、高功率因數(shù)、高功率密度(組合集成化)及高壓大功率方向迅速發(fā)展。以GTO、JT、MOSFET 為代表的自關(guān)斷器件得到長足的發(fā)展，尤其是以IGBT 為代表的雙極型復合器件的驚人發(fā)展，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅(qū)動、低損耗、智能模塊化的方向前進。伴隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，大功率逆變器及交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展也日趨高性能化。

1.1 傳統(tǒng)大功率逆變電路

傳統(tǒng)的大功率交流電機調(diào)速系統(tǒng)采用的變換器主要有：

1)普通交-直-交三相逆變器;

2)降壓-普通變頻器-升壓;

3)交- 交變頻器;

4)變壓器耦合的多脈沖逆變器。

以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實現(xiàn)大功率交流傳動的同時，在性能上沒有什么突破，且裝置復雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數(shù)低，無功損耗大，須附加諧波治理裝置，設(shè)備成本成倍增加。因此近十幾年來，一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓撲引起了許多學者的注意。

1.2 新型多電平電壓型逆變器

日本長岡科技大學的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式(NPC)逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年的研究，發(fā)展出幾種主要的多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)，主要分兩種[1][2][3]：第一種為單一直流電源的箝位型變換器拓撲，包括二極管箝位型(DiodeClamped)，電容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展出的通用型拓撲，還有層疊式多單元拓撲(Stacked Multi-cell);第二種為獨立直流電源的級聯(lián)型拓撲(Cascaded Inverter with Separated DCSource)?，F(xiàn)有的多電平變換器分類如圖1所示。

根據(jù)直流電壓源的性質(zhì)和串聯(lián)方式不同，上述兩種拓撲可以用兩個電路模型表示：單一直流電源直接串聯(lián)分壓模型和多個電氣獨立的直流電源串聯(lián)模型，分別如圖2 和圖3 所示。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線中的多路開關(guān)，現(xiàn)實中是由功率開關(guān)器件網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，不同的開關(guān)狀態(tài)即代表接到不同的節(jié)點。圖3 中作為直流電源的VDC1……

VDCn經(jīng)過變換電路的不同開關(guān)狀態(tài)，可以在輸出端組合出多種電平值。

多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)與普通兩電平逆變器相比具有以下優(yōu)點：

1)更適合大容量、高壓的場合;

2)可產(chǎn)生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波形，諧波含量很小;

3)電磁干擾(EMI)問題大大減輕，因為開關(guān)器件一次動作的dv/dt 通常只有傳統(tǒng)雙電平的1/(M-1);

4)效率高。消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關(guān)頻率高、損耗大;而多電平逆變器可用較低頻率進行開關(guān)動作，開關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。

除上述共同特點外，幾種拓撲結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點，

現(xiàn)比較如下。

1.2.1 二極管箝位的多電平逆變器

二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu)是出現(xiàn)較早，應(yīng)用場合較多的一種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是采用多個二極管對相應(yīng)開關(guān)器件進行箝位，輸出相應(yīng)M電平的相電壓。二極管箝位式拓撲具有多電平逆變器共同的優(yōu)點，但存在自身不足：

1)箝位二極管承受的電壓不均勻;

2)器件所需額定電流不同，按最大額定設(shè)計將造成(M-1)(M-2)/2 的開關(guān)器件容量上有所浪費，利用效率低;

3)直流側(cè)電容由于一個周期內(nèi)的流入和流出的電流可能不相等，造成不同級的直流側(cè)電容電壓在傳遞有功功率時出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象;

4)當進行有功傳遞時，如不附加恒壓裝置，必將導致M 電平逐漸變?yōu)槿娖?M 為奇數(shù))或兩電平(M為偶數(shù))。解決的辦法通?？捎肞WM電壓調(diào)節(jié)器

或電池來代替電容，但這樣又將導致系統(tǒng)復雜，使成本升高。

為解決以上問題，在傳統(tǒng)的二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了幾種改進型結(jié)構(gòu)。在兩個相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進拓撲結(jié)構(gòu)不但解決了二極管串聯(lián)問題，而且所加電容對開關(guān)器件關(guān)斷時的過壓進行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側(cè)電容電壓的不平衡性，且能實現(xiàn)電流的雙向流動。另一種是將兩個相同變換器背對背使用的改進結(jié)構(gòu)，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，把直流側(cè)電容相應(yīng)節(jié)點進行連接，可較好地平衡電容電壓。

1.2.2 電容箝位的多電平逆變器

電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年P(guān)ESC年會上提出，最初目的是減少NPC 多電平逆變器中過多的箝位二極管，即采用懸浮電容器來代替箝位二極管工作，直流側(cè)的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對比二極管箝位多電平逆變器，這種拓撲結(jié)構(gòu)雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓大容量系統(tǒng)而言，電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。

電容的引進使電壓合成的選擇增多，開關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性，通過在同一電平上進行合適的不同開關(guān)狀態(tài)的組合，使電容電壓保持均衡，可較好地應(yīng)用于有功調(diào)節(jié)和變頻調(diào)速系統(tǒng)，但控制方法變得較為復雜，而且開關(guān)頻率將增高，開關(guān)損耗加大，效率隨之降低。

為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對背的變換器結(jié)構(gòu)來調(diào)整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開關(guān)模式來同時控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過對電容電壓進行檢測，如果出現(xiàn)不平衡，可以適當改變整流橋的控制。其缺點是，引入了大量的懸浮電容，而且存在著電容電壓平衡的問題，目前法國ALSTOM公司已開發(fā)出此類產(chǎn)品。

1.2.3 電壓自平衡式多電平變頻器拓撲

2000年美國密執(zhí)根大學的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓撲，它不需要借助附加的電路來抑制直流側(cè)電容的電壓偏移問題，從理論上實現(xiàn)了一個真正的有實際應(yīng)用價值的多電平結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的二極管箝位式和電容箝位式電路拓撲也可以由它簡化和發(fā)展而來。

高壓大容量多電平電路的一個技術(shù)難點就是中點電壓的控制問題。對于三電平及以上電平數(shù)的拓撲，如果中點電壓控制的不好，是不能有效地應(yīng)用于大容量的電能變換場合的。對于以上幾種拓撲結(jié)構(gòu)，電壓高于三電平時，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個復雜的電路結(jié)構(gòu)來幫助維持中點電壓的平衡。這種新的拓撲結(jié)構(gòu)具有電壓自平衡的功能，對于各種逆變器控制策略和負載情況，都能有效地控制中點電壓。

圖4即為這種新型的自平衡多電平結(jié)構(gòu)單相的拓撲，它是由基本的兩電平單元組成的。因為基本的單元是一個兩電平的單相電路(a two-level phaseleg)，所以由它組成的多電平結(jié)構(gòu)又叫做P2多級逆變器。

這種可電壓自平衡的P2多電平拓撲的特點是：

1)系統(tǒng)的電能損耗反比于電容量和開關(guān)頻率，提高開關(guān)頻率和加入一些特定的開關(guān)狀態(tài)可以大大減小損耗，提高系統(tǒng)效率;

2)相比一般的二極管箝位和電容箝位式拓撲，該系統(tǒng)各級的中點電壓都能得到很好的控制;

3)對一個M級電平的P2逆變器系統(tǒng)，所需的開關(guān)器件/ 二極管數(shù)目為M(M-1)，需要的電容器數(shù)量為M(M-1)/2;

4)計算簡單，器件應(yīng)力可達到最小化。

對圖4的系統(tǒng)進行簡化和變形，可以得到傳統(tǒng)的二極管箝位和電容箝位式多電平拓撲，以及一些其他的改進拓撲。去掉圖4所有的箝位開關(guān)，可以得到二極管-電容箝位的多電平系統(tǒng)，如圖5 所示;而去掉箝位開關(guān)和二極管，則得到電容箝位式的多電平系統(tǒng)，如圖6 所示;去掉箝位開關(guān)和電容，可得到二極管箝位式拓撲，如圖7所示;再對調(diào)二極管的連接，可得到一種改進的背對背的二極管箝位式系統(tǒng)，如圖8所示。

這種通用的多電平拓撲的應(yīng)用還包括開關(guān)電容DC-DC 變換器和倍壓電路;此外，結(jié)合其他電路的使用還可實現(xiàn)雙向的DC-DC 變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來實現(xiàn)多電平變頻器。

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