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三電平有源電力濾波器技術(shù)詳解 作者:德州和能工業(yè)自動化有限公司一、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)過近30年的發(fā)展,廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個領(lǐng)域.二極管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于,各個開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半,可以用較低電壓等級的開關(guān)管,組成較高電壓等級的變流器.這個技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于中壓大功率交流傳動系統(tǒng)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(yīng)用于4.2kV電動機傳動系統(tǒng).通常三電平技術(shù)一般應(yīng)用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中,正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實決定的.但是我們應(yīng)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關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的變流器,隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展,市場上已經(jīng)有6500V的IGBT出售,但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高,最高開關(guān)頻率也變得比較低.3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠大于600V的IGBT.采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器,同時前者可以達到的開關(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電壓、負母線電壓以及零電壓(簡稱P、N、O),一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變,特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變,而兩電平變流器只能在P-N之間跳變.也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半,而兩電平的為直流母線電壓.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,由此帶來了較高的紋波電流損耗.同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度,或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制.對于變頻器帶來的則是對電機的沖擊以及較大的軸電流,嚴重影響著電機的壽命.另外,較高的電壓跳變幅度也會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾,對周邊電子設(shè)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題. 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,三電平技術(shù)被越來越多的人所重視,同時也將其從中壓大功率領(lǐng)域,引入到400V的低壓小功率應(yīng)用之中,各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于400V系統(tǒng)應(yīng)用的集成二極管箝位三電平功率模塊,并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢.應(yīng)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VarispeedG7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(yīng)用中取得了巨大成功. (2)2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器,前端采用對稱BOOST進行最大功率點跟蹤,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)于同類兩電平產(chǎn)品. (3)2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司推出了業(yè)界第一個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)品做一個較為詳細的說明. 二、Hesine系列有源電力濾波器 將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域,國內(nèi)外很多文獻都有涉及,國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此都進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有從實驗室走向市場.究其原因,有可能是技術(shù)不夠成熟,控制算法過于復(fù)雜,應(yīng)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)自動化有限公司通過對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場趨勢的正確把握,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(tǒng)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(yīng)速度. 紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個指標.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電流模式控制的電壓源逆變器.輸出電流是通過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(diào)制,根據(jù)電工的基本原理,紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小,與電流環(huán)的控制無關(guān).開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高,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(yīng)速度有很高的要求.電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān).直流母線電壓越高,電流響應(yīng)越快;輸出電感越大,電流響應(yīng)越慢.我們期望輸出紋波電流越小越好,電流響應(yīng)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矛盾的辦法只能是提高開關(guān)頻率.現(xiàn)在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達到20kHz.但是,開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗,有源電力濾波器的單機容量會受到限制,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關(guān)頻率.然而,三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案.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,只需按直流母線電壓的一半計算.由此,在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、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,同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低.在計算電流響應(yīng)速度時,起作用的將是全部直流母線電壓,而輸出電感的減半,將加快電流的響應(yīng)速度,增強濾波效果,提高單機容量. (2)提高系統(tǒng)耐壓,應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng). 通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V,但是對于某些行業(yè),其低壓電網(wǎng)會比較高,例如石油鉆機傳動采用的是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,是一個問題.通常為了提高電流響應(yīng)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電壓.通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍.對于380V應(yīng)用,直流母線電壓一般在700V~750V,而對于600V,直流母線電壓需要達到1200V.很多企業(yè)的做法是加一個變壓器,將其他等級的電壓變?yōu)?00V.通過諧波的變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的,價格比較高,體積也比較大,變壓的損耗也會比較大.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(tǒng),可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上,同時保證較好濾波效果和單機容量. 正是基于上述優(yōu)點,德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)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,我公司愿與業(yè)內(nèi)同行企業(yè)合作,共同推進三電平有源電力濾波器的應(yīng)用,為中國電能質(zhì)量事業(yè)做出貢獻.