三電平有源電力濾波器技術(shù)詳解

　　一、二極管箝位三電平技術(shù)

　　二極管箝位三電平拓撲由日本學(xué)者Nabae. A 等人在1980 年提出，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，廣泛應用于電力電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于，各個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的反向電壓為直流母線(xiàn)電壓的一半，可以用較低電壓等級的開(kāi)關(guān)管，組成較高電壓等級的變流器。這個(gè)技術(shù)現在已經(jīng)廣泛的應用于中壓大功率交流傳動(dòng)系統中。采用6500V等級的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器，已經(jīng)廣泛應用于4.2kV電動(dòng)機傳動(dòng)系統。通常三電平技術(shù)一般應用于電壓較高、功率較大的系統中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統需求電壓較高的矛盾現實(shí)決定的。但是我們應該看到二極管箝位三電平拓撲本身固有的一些優(yōu)勢。

　　(1) 用電壓等級較低的開(kāi)關(guān)管構成電壓等級較高的變流器，隨著(zhù)功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上已經(jīng)有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開(kāi)關(guān)損耗越高，最高開(kāi)關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開(kāi)關(guān)頻率最高不會(huì )超過(guò)5kHz,1200V的IGBT的開(kāi)關(guān)損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開(kāi)關(guān)損耗遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時(shí)前者可以達到的開(kāi)關(guān)頻率也高于后者。

　　(2) 能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線(xiàn)電壓、負母線(xiàn)電壓以及零電壓(簡(jiǎn)稱(chēng)P、N、O),一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會(huì )出現P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說(shuō)三電平的電壓跳變幅度為直流母線(xiàn)電壓的一半，而兩電平的為直流母線(xiàn)電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來(lái)的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來(lái)了較高的紋波電流損耗。同時(shí)由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應速度，或對輸出電流的能力產(chǎn)生了一定的限制。對于變頻器帶來(lái)的則是對電機的沖擊以及較大的軸電流，嚴重影響著(zhù)電機的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會(huì )產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，對周邊電子設備產(chǎn)生也重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問(wèn)題。

　　隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來(lái)越多的人所重視，同時(shí)也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應用之中，各個(gè)國際知名功率器件廠(chǎng)家推出了大量適應于400V系統應用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統兩電平變流器的趨勢。應用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下：

　　(1)2008年日本安川電機推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應用中取得了巨大成功。

　　(2)2009年德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在自主開(kāi)發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱(chēng)BOOST進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓撲，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊，各項指標均優(yōu)于同類(lèi)兩電平產(chǎn)品。

　　(3)2009年德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司推出了業(yè)界第一個(gè)三電平有源電力濾波器HESINE系列產(chǎn)品，并取得了巨大的成功。本文將對此系列產(chǎn)品做一個(gè)較為詳細的說(shuō)明。

　　二、Hesine系列有源電力濾波器

　　將二極管箝位三電平技術(shù)應用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國內外很多文獻都有涉及，國內外許多專(zhuān)家學(xué)者對此都進(jìn)行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒(méi)有從實(shí)驗室走向市場(chǎng)。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過(guò)于復雜，應用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認識到該技術(shù)的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司通過(guò)對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場(chǎng)趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。

　　三電平有源電力濾波器與傳統兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：

(1) 低紋波電流，高電流響應速度。

　　紋波電流和電流響應速度是矛盾的兩個(gè)指標。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個(gè)電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過(guò)逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調制，根據電工的基本原理，紋波電流決定于開(kāi)關(guān)頻率、直流母線(xiàn)電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無(wú)關(guān)。開(kāi)關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線(xiàn)電壓越高，紋波電流越大;輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補償50次諧波計算，最高諧波頻率將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應速度有很高的要求。電流響應速度與直流母線(xiàn)電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線(xiàn)電壓越高，電流響應越快;輸出電感越大，電流響應越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應速度越快越好，這是一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個(gè)矛盾的辦法只能是提高開(kāi)關(guān)頻率?，F在某些廠(chǎng)家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)達到20kHz。但是，開(kāi)關(guān)頻率的提高帶來(lái)的是更高的開(kāi)關(guān)損耗以及驅動(dòng)損耗，有源電力濾波器的單機容量會(huì )受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開(kāi)關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個(gè)解決上述問(wèn)題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負、零三種電壓，在計算紋波電流時(shí)，只需按直流母線(xiàn)電壓的一半計算。由此，在相同開(kāi)關(guān)頻率、相同直流母線(xiàn)電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時(shí)器件的開(kāi)關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會(huì )降低。在計算電流響應速度時(shí)，起作用的將是全部直流母線(xiàn)電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應速度，增強濾波效果，提高單機容量。

　　(2) 提高系統耐壓，應用于較高電壓系統。

　　通常國內低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會(huì )比較高，例如石油鉆機傳動(dòng)采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個(gè)問(wèn)題。通常為了提高電流響應速度、保證補償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線(xiàn)電壓。通常兩電平逆變器的直流母線(xiàn)電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應用，直流母線(xiàn)電壓一般在700V～750V，而對于600V，直流母線(xiàn)電壓需要達到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個(gè)變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?/span>400V。通過(guò)諧波的變壓器是經(jīng)過(guò)特殊設計的，價(jià)格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會(huì )比較大。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時(shí)保證較好濾波效果和單機容量。

　　正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。同時(shí)，我公司愿與業(yè)內同行企業(yè)合作，共同推進(jìn)三電平有源電力濾波器的應用，為中國電能質(zhì)量事業(yè)做出貢獻。