多电平逆变电路解析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：前面讨论的逆变电路的相电压只有Ud/2 和-Ud/2 两种电平，因而称为二电平逆变电路。因此受当前电力电子器件生产和制造技术的限制，二电平逆变电路难以满足中高压逆变器的需要。如果使逆变电路的输出的相电压有3 种以上的电平状态，既减小开关器件的电压应力，又减小输出电压谐波含量，则可在中高压变频器中获得广泛应用，这种逆变电路就是多电平逆变电路。多电平逆变电路主要结构有二极管钳位型逆变电路和电容钳位型逆变电路。

前面讨论的逆变电路的相电压只有Ud/2 和-Ud/2 两种电平，因而称为二电平逆变电路。该电路结构简单、控制容易，但也有诸多限制：

①来自器件方面的限制。在传统的二电平三相桥式逆变器中，开关器件在关断过程中所承受的最高电压要高于直流环节的电源电压，而逆变电路的输出线电压峰值正比于Ud ，因此要想提高逆变器的输出电压就必须提高中间环节电压，这会受到开关器件最高允许电压的限制。常用的IGBT 最高允许电压一般小于3 300 V，即使是耐压能力较高的GTO，一般也不超过6 000 V。因此受当前电力电子器件生产和制造技术的限制，二电平逆变电路难以满足中高压逆变器的需要。

②来自输出电压波形的限制。二电平输出相电压只有两种电平状态，输出电压波形的谐波含量较高，电磁干扰比较严重。

如果使逆变电路的输出的相电压有3 种以上的电平状态，既减小开关器件的电压应力，又减小输出电压谐波含量，则可在中高压变频器中获得广泛应用，这种逆变电路就是多电平逆变电路。

多电平逆变电路主要结构有二极管钳位型逆变电路和电容钳位型逆变电路。

（1）中压电压等级

输电系统的电压等级的划分国内与国际上略有区别。国际上，对于交流输电系统有如下电压等级：超高压（Extra High Voltage ，EHV）为330～750（765）kV；高压（High Voltage，HV）为10 kV 以上（35～220 kV）；中压为1～10 kV；低压为1 kV 以下。而直流输电系统一般采用高压直流输电（High Voltage Directcurrent，HVDC），电压等级为±500 kV。我国输电电压等级：高压电网为110 kV 和220 kV；超高压为330 kV、500 kV、750 kV；特高压为1 000 kV 交流、±800 kV直流。电气传动电压等级的划分，国外：10 kV 以上为高压；1～10 kV 为中压；1 kV 以下为低压。我国称1～10 kV 变频器为高压变频器。

中高压逆变电路主要应用于大功率电机的变频调速，比如钢铁企业的轧钢机（功率在500 kW以上）、大功率风机、水泵、电动车辆（电力机车、地铁无轨电车等）、船舰（功率均为MW 级）等。大功率电机均采用中高压供电，一方面可以限制电动机直接启动时的母线压降，另一方面可以减少供电线路损耗。

在我国，一般情况下200 kW 以上电动机用中压，400 V 以上只采用10 kV 这一等级的电压，6 kV 的电压等级正在淘汰，使得中压这一范围的电压等级变高，影响了大中功率中压变频器的推广。

由于电压等级高，使得变频器中器件串联数增多，电流利用率降低，价格升高，可靠性降低。以630 kW 变频器为例，若电压为10 kV 电流仅为45 A，H 桥级联变频器需要用1 700 V、100 A（或150 A）的IGBT 桥10 串，三相共120 个器件。现在IGBT 的电流等级已达2 400 A，采用大电流器件更为合理。如果改用690 V 电压，变频器仅需12 个1 700 V、1 000 A 的IGBT，器件大大减少，电路简化。

国外的情况与我国不同。在国外，在400 V 和10 kV 之间还有如下电压等级：低压690 V、中压2.3 kV、3（3.3）kV、4.16kV、6（6.9）kV，低压电动机（400 V 和690 V）功率扩展至1 000 kW，中压电动机的电压等级随功率增加而升高；除特大功率外，不生产10 kV 变频器。因此，在我国需要把供电和用电的电压等级分开，在中压变频器的输入端配输入变压器，一次侧接10 kV 电网，二次侧根据功率大小，选择合适的变频器和电动机的电压等级。

电动机采用变频调速后，启动电流减小，低压电动机的功率可以扩展至800～1 000 kW，500 kW 以下用400 V，500 kW 以上用690 V。功率大于800 kW 的场合宜用6 kV 或3（3.3）kV，尽量避免选用10 kV 的变频器。

（2）二极管钳位型三电平逆变电路

二极管钳位型三电平逆变电路（也称中性点钳位逆变电路）主电路如图3.19 所示。从图中可以看出，该电路在传统二电平三相桥式逆变电路6 个主开关管（V11～V61）的基础上，分别在每个桥臂上增加两个辅助开关管（V12～V62）和两个中性点钳位二极管（VD01～V06），直流侧用两个串联的电容（C1、C2）将直流母线电压分为+Ud/2、0、-Ud/2 三个电平，钳位二极管（VD01～VD06）和内侧开关管（V12、V41、V32、V61、V52、V21）并联，其中心抽头和零电平N′联接，实现中性点钳位。

下面以U 相为例说明该电路的工作原理。

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图3.19　二极管钳位型三电平逆变电路

当逆变电路中V11和V12导通而V41和V42关断时，U 相的输出相电压（相对于中间直流环节的中心点N′） UUN′=Ud/2，此时电流iU 的流通路径为：Ud（+）→V11→V12→U，iU > 0，设该状态为“1”。当逆变电路中V41 和V42 导通而V11 和V12 关断时，U 相的输出相电压UUN′=-Ud/2，此时电流iU 的流通路径为：U→V41→V42→Ud（-），iU < 0，设该状态为“-1”。这两种状态与传统的二电平逆变电路无太大区别，只是每半桥臂由两个开关器件相串联。该电路的第三种状态为“0”状态，在这种状态下，使V11、V42关断而V12或V41导通。因负载电流方向的不同，电流在U 相桥臂内的流通路径也不同。当iU > 0 时，流通路径为：N′→VD01 →V12→U，UUN′=0；当iU < 0 时，流通路径为：U→V41→VD04→N′，UUN′=0。可见，不论iU 的方向如何，逆变电路输出相电压总为零，从而得到第三种电平。这样，通过辅助开关管和钳位二极管的共同作用，可以使逆变电路输出Ud/2、0、-Ud/2 三种电平的相电压，线电压则为±Ud、0、±Ud/2 五电平。与二电平电路输出线电压波形相比，三电平电路输出线电压谐波含量更小，波形更接近正弦波。而且每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，故可以用低耐压的器件实现高压大功率的场合。

用与三电平电路类似的方法，可构成五电平、七电平等更多电平的电路。随着大功率可控器件容量等级的不断提高，以及智能控制芯片的迅速普及，关于多电平逆变电路的研究和应用有了迅猛的发展，应用领域从最初的DC-AC 变换（如大功率电机驱动）拓展到AC-DC 变换（如电力系统无功补偿）和DC-DC 变换（如高压直流变换）。电路系统中的无功补偿和高压直流输电以及高压大电机变频调速是目前多电平变流电路应用的主要领域。

（3）电容钳位型三电平逆变电路

电容钳位型三电平逆变电路原理图如图3.20 所示。它是采用跨接在串联开关器件之间的电容实现钳位功能的。与二极管钳位的三电平逆变电路相比较，可以看出，该电路用钳位电容器CU、CV、CW 取代钳位二极管，而直流侧的分压电容器不变，工作原理与二极管钳位型逆变电路相似。该电路可以输出Ud/2、0、-Ud/2 三种电平。在图中，当V11和V12导通而V41和V42关断时，逆变电路U 相的输出相电压UUN′=Ud/ 2；当逆变电路中V41和V42导通而V11和V12关断时，逆变电路U 相的输出相电压UUN′=-Ud /2；当V11和V41导通而V12和V42关断时，钳位电容CU 充电，或者当V11和V41关断而V12和V42导通时，钳位电容CU 放电。此时，逆变电路的输出电压等于0，通过选择合适的0 电平开关状态，可以实现钳位电容的充放电平衡。其输出波形与二极管钳位型三电平逆变电路完全一样。