多電平變換器前景與應用

王鉑 周強 姚輝

摘?要：目前多電平逆變技術在高壓大功率上面的使用受到了高度關注，成為電力電子領域研究的重點，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。通過使用面積等效多電平控制算法，應用到級聯(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)學分析和實驗仿真結果可以看出，該控制技術是可行的，與特定諧波消除法比較結果證明了該控制技術是行之有效的，并可以用于其他級聯(lián)多電平變換器中。

關鍵詞：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

近幾年交流電機的調(diào)速技術已經(jīng)在風機、泵類等等領域開始普及，電壓低于380V的低壓變頻器開始大量應用交流調(diào)速技術。但對于諸如高爐鼓風機、煉鋼制氧機、除塵風機、電力水泵及工業(yè)引風機等等用于工業(yè)生產(chǎn)的大功率機械、風機及泵類中，驅(qū)動電機使用的都是400～40000kW，3～10kV的大功率高壓交流電動機。而上述這些設備大都缺乏調(diào)速節(jié)能技術，從而在運行過程中虛耗了大量的電能。大家稱這些設備是“電老虎”。所以研發(fā)高電壓多電平大容量交流電動機變頻調(diào)速節(jié)能設備和普及使用，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變頻調(diào)速技術。

在很多傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)領域中，該技術近年來推廣應用情況也較為良好，并逐漸取代以往的直流調(diào)速技術。比如在煤炭、水泥、造紙、軋鋼、鐵路和船舶等等工業(yè)領域都普遍用上了大中容量交流電機調(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研究也是新的攻堅重點和經(jīng)濟增長點，其發(fā)展前景與對社會的意義不亞于計算機、互聯(lián)網(wǎng)及通訊產(chǎn)業(yè)。市場容量也比較大。

進入本世紀以來，諸如德國、法國及日本等等發(fā)達國家開始加強對節(jié)能技術方面的研發(fā)及應用。上述這些國家在高性能大容量交流電機傳動技術方面的研發(fā)生產(chǎn)都居于世界領先地位。在上述這些國家中，電動機調(diào)速技術及相關設備是一個非常具有實力和潛力的產(chǎn)業(yè)。MW級的逆變器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于全世界的電力機車、船舶電力推進、造紙及軋鋼等高性能的系統(tǒng)中。

從上世紀80年代開始，我國就開始了對電動機調(diào)速技術的研發(fā)應用，但一直以來其進度遠遠落后于發(fā)達國家。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調(diào)速，其主要應用行業(yè)為冶金、化工、礦井及石油鉆機等。上述系統(tǒng)制造技術雖然已經(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，因此該技術以后必然要被逐步淘汰。大功率交流調(diào)速設備研發(fā)工作我國也一直在進行，并且有相關的裝置設備問世。但這些裝置設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)的污染嚴重，功率因素難以提升，無功損耗也難以降低，應用時必須附加昂貴、龐大的諧波治理裝置，這就大大增加了設備使用成本。

2 多電平變換器在大容量場合的應用

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行調(diào)節(jié)，并且具有更低的輸出電壓諧波量?？梢杂糜诟邏褐绷鬏旊姵瑢δ?、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償裝置也需要適應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。此外多電平還可應用于高壓大電機的變頻調(diào)速，在電廠的風機、泵類負載、水廠和鋼廠軋鋼時用到的高壓大容量交流電動機、軌道電力機車的動力系統(tǒng)中，通過應用多電平變換器進行調(diào)速，能夠有效地節(jié)約電能，以及提升電能利用效率?？傊?，多電平變換器將來的應用范圍必然會是越來越廣泛的。

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