電流型多電平變流器拓撲和控制技術(shù)的研究

大功率礦井提升機中的多電平變流器的應(yīng)用分析

對用于大功率礦井提升機中的多電平變流器進行了介紹。首先分析和對比了中點鉗位3電平、級聯(lián) H 橋多電平和有源中點箝位 5 電平等主要多電平結(jié)構(gòu)變流器在礦井提升機中應(yīng)用時的優(yōu)缺點，并介紹了一種新型多電平變流器結(jié)構(gòu)——模塊化多電平變流器 (MMC)，對其在礦井提升機中的應(yīng)用進行了展望。礦井提升機是礦山的關(guān)鍵設(shè)備，其運行性能的優(yōu)劣既關(guān)乎設(shè)備與人員安全，又直接影響到礦山的生產(chǎn)效益。礦井提升機系統(tǒng)裝機容量大，運行過程中周期性啟停，要求變流器具有四象限運行能力和高可靠性[1]。隨著電氣傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，多電平變流器已成功用于大功率礦井提升機。

目前，在大功率礦井提升機中實現(xiàn)商業(yè)化運行的多電平變流器主要有 3 種結(jié)構(gòu)：中點鉗位 (Neutral-Point-Clamped，NPC) 3 電平結(jié)構(gòu)[2-5]、級聯(lián) H 橋(Cascaded H-Bridge，CHB) 多電平結(jié)構(gòu)[6-11]和有源中點鉗位 (Active Neutral-Point-Clamped，ANPC) 5 電平結(jié)構(gòu)[12]。大容量礦井提升機主要使用 3.3、6.0 和 10.0 kV中壓交流電動機。3 電平 NPC 變流器結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、控制方法比較成熟，主要用于 3.3 kV 電壓等級的提升機；CHB 多電平變流器采用級聯(lián)的模塊化功率單元，使用低壓開關(guān)器件即可輸出高壓多電平，目前能夠?qū)崿F(xiàn) 10.0 kV 電壓等級產(chǎn)品化；5 電平 ANPC 結(jié)構(gòu)能夠使用現(xiàn)有電壓等級的 IGBT 實現(xiàn) 6.0 kV 5 電平輸出，通過背靠背連接可實現(xiàn)四象限運行，滿足提升機應(yīng)用需求。

模塊化多電平變流器 (Modular Multilevel Con-verter，MMC) 具有與 CHB 相似的高度模塊化結(jié)構(gòu)，不需要使用多繞組移相變壓器。2 個結(jié)構(gòu)相同的性[14]，能夠很好地應(yīng)用于環(huán)境苛刻的工業(yè)現(xiàn)場，是礦井提升機下一代電力傳動較理想的大功率變流器，具有極大的發(fā)展前景。

流器拓撲結(jié)構(gòu) ，其三相電路如圖 1 所示，輸出電壓工業(yè)化應(yīng)用。

(2) NPC 工作時開關(guān)器件損耗不平衡[19]，造成其結(jié)溫不同，限制了變流器的容量和開關(guān)頻率的提升，且對系統(tǒng)散熱要求較高。

１．２級聯(lián)Ｈ橋多電平變流器級聯(lián) H 橋型多電平變流器通過增加級聯(lián)的功率單元數(shù)量能夠?qū)崿F(xiàn)高壓多電平輸出，N 單元級聯(lián)可輸出 2N + 1 電平。5 單元級聯(lián) H 橋型多電平變流器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。為實現(xiàn)四象限運行，功率單元前端采用PWM 整流器[20]，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。5 單元 CHB 變流器輸出相電壓 11 電平，波形如圖 5 所示。

１．３　有源中點鉗位型?。怠‰娖阶兞髌魅嘤性粗悬c鉗位 5 電平變流器拓撲結(jié)構(gòu)[23]如圖 6 所示，輸出波形如圖 7 所示。ANPC 結(jié)構(gòu)解決了NPC 結(jié)構(gòu)鉗位二極管數(shù)量過多的問題，同時可以通過控制算法實現(xiàn)直流母線電容中點電壓平衡。

CHB 具有以下優(yōu)點。

(1) 輸入側(cè)采用了多繞組移相變壓器，大大降低了輸入電流的諧波含量，因此無需增加濾波器即可滿足電網(wǎng)對諧波的要求，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整機效率。每個功率單元由變壓器獨立供電，相比 NPC不存在電容電壓不平衡問題。

(2) 采用模塊化設(shè)計便于擴展，通過增加功率單元數(shù)量，在沒有增加開關(guān)器件承受電壓的基礎(chǔ)上增加了輸出電壓和電平數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn) 6.0、10.0 kV 電壓輸出。

(3) 開關(guān)器件工作頻率較低，降低了開關(guān)損耗，提升了系統(tǒng)效率，同時等效開關(guān)頻率很高，輸出電平數(shù)多，輸出電壓諧波含量較低，不需要配合濾波器使用。

(4) 輸出電壓變化率 du/ dt 較低，可使用普通絕緣等級電動機，且能滿足長線電纜應(yīng)用需求。

(5) 可冗余配置，當(dāng) 1 個功率單元故障時，通過旁路該功率單元，同時投入熱備份單元，即可實現(xiàn)變流器滿載不間斷運行[21-22]，滿足提升機安全運行要求。

CHB 變流器的最大缺點是輸入側(cè)采用多繞組移相變壓器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的體積和成本。此外，為實現(xiàn)能量回饋，控制電路和算法十分復(fù)雜，控制電路成本較高。

目前，級聯(lián) H 橋型多電平變流器是 6.0、10.0 kV中壓礦井提升機傳動系統(tǒng)的主流選擇，既可用于驅(qū)動交流異步電動機[8-10]，又可用于驅(qū)動同步電動機[6]。

近年來，國內(nèi)數(shù)家廠商先后開發(fā)出了級聯(lián) H 橋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，已經(jīng)在提升機中推廣應(yīng)用。ANPC 能夠直接實現(xiàn)高壓輸入和輸出，相比 CHB結(jié)構(gòu)，不需要多繞組移相變壓器，大大減小了系統(tǒng)的體積和成本。使用現(xiàn)有電壓等級的開關(guān)器件就能實現(xiàn) 6.0、10.0 kV 電壓輸出。電平變流器為電動機提供 9 電平線電壓，電壓波形更接近正弦波，相比 3 電平 NPC du/ dt 減小很多，能夠滿足普通電動機絕緣性能，無需降容即可直接連接電動機。

通過背靠背連接可實現(xiàn)四象限運行，滿足提升機需求。ANPC 無法實現(xiàn)冗余配置，故障后必須立即停止運行進行維修更換。2010 年 ABB 公司推出基于 5 電平 ANPC 結(jié)構(gòu)的ACS2000 型 6.0 kV 中壓變頻器[25]，容量為 315 kW ~ 2MW，使用 4 500 V IGBT 功率器件。組硬件結(jié)構(gòu)完全相同的三相變流器背靠背連接?？刂破脚_使用 ABB成熟的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，獲得優(yōu)異的調(diào)速性能，能實現(xiàn)極低頻率下輸出最大轉(zhuǎn)矩，目前已在礦井提升機中取得了一定的應(yīng)用[12]。

模塊化多電平變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 8 所示。其中 SM 為 MMC 子模塊 (sub-module，SM)，具有多種結(jié)構(gòu)[27]，應(yīng)用最廣泛的為半橋結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。每相含有 2N 個子模塊，上、下橋臂各包含 N 個串聯(lián)的子模塊和一個橋臂電感 L，每相輸出從 2 個橋臂電感

(2) MMC 具有公共直流母線，不需要多繞組移相變壓器，相比 CHB 結(jié)構(gòu)具有明顯的成本和體積優(yōu)勢，可以組成背靠背系統(tǒng)，實現(xiàn)能量的雙向流動。

(3) 輸出電平數(shù)多，輸出電壓諧波含量低。

(4) 開關(guān)頻率低，系統(tǒng)開關(guān)損耗小。

(3) 變頻運行。

提出了優(yōu)化的矢量控制算法，可使 MMC 驅(qū)動電動機變頻運行。文獻 [41-42] 則提出通過改進 MMC 拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)降低電動機低頻運行時的轉(zhuǎn)矩脈動。西門子公司已經(jīng)推出基于 MMC 拓撲的 GH150型中壓變頻器[27]，用于驅(qū)動大功率風(fēng)機和泵類負載，目前還沒有應(yīng)用于礦井提升機。隨著研究的不斷深入，MMC 在傳動方面的技術(shù)逐漸成熟，有望實現(xiàn)在礦井提升機中的工業(yè)化應(yīng)用。

３結(jié)語

介紹了目前應(yīng)用于大功率礦井提升機的多電平變流器，分析和對比了 NPC、CHB 和 ANPC 等 3 種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。在此基礎(chǔ)上，介紹了一種新型多電平變流器 MMC，并對 MMC 的優(yōu)缺點和待解決的主要技術(shù)問題進行了概述。MMC 具有極高的發(fā)展前景和實用價值，是目前電力傳動領(lǐng)域研究的熱點，已經(jīng)日趨實用化，將會成為新一代礦井提升機變流器的理想選擇。

文章來源：www.kndj.net

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