摘 要：
本文对单元串联式多电平高压变频器的起源和现状进行了总结，同时对该技术未来的发展趋势进行了展望。
关键词：
高压变频器，多电平，单元串联
1 引言
单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出。其输出通常采用多电平移相式PWM，以实现较低的输出电压谐波，较小的du/dt和共模电压。输入通常采用多重化隔离变压器以达到抑制输入谐波的目的。
近年来，该技术在全球范围内发展迅速，国内也涌现了很多基于该技术方案的高压变频器生产厂家，产业化成绩十分显著。
2 单元串联式多电平高压变频器起源
美国西屋电气公司于1986年5月申请了专利号为4674024的美国专利。该发明提出了由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统，图1为功率单元的基本结构和串联示意图（注：本文中的附图均摘自原始专利说明书，为维持表述的准确性，没有将其翻译成中文）。图中，对输出高压的控制可以通过可控整流桥控制逆变系统中部分模块的直流电压实现，也可以通过对部分模块的逆变侧进行PWM控制来实现。该发明提出了单元串联多电平变频器的基本框架。
图1是这种控制方法的示例。上面的功率单元采用可控整流桥调整直流母线电压，输出频率则通过逆变侧控制；下面的功率单元采用不可控整流、用逆变侧PWM控制输出电压的幅值和频率。图2为按图1方式串联后的输出电压波形。
图1 功率单元结构和串联方式
图2 串联后的输出电压
图3为采用功率单元串联形成三相高压输出的组合示意图，用于高压电动机的变频调速。发明者还非常有创意地提出另外一种单元串联结构，如图4所示，同样可以实现三相高压输出，由于其功率单元的利用率不高，实用意义不大，但足以看出发明者的创新意识。西屋公司的发明解决了变频器要求高压输出而器件耐压不够的矛盾，避免了常规器件直接串联时存在的均压问题，奠定了单元串联多电平变频器的基础。
图3 单元串联多电平高压变频器拓扑
图4 另一种单元串联方式
美国罗宾康公司于1994年3月申请了专利号为5625545的美国专利。该发明提出了输入采用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式PWM的单元串联多电平方案，如图5所示。图6为功率单元的组成结构。输入变压器采用延边三角形接法，变压器付边互差一定的电角度，以达到抑制输入谐波电流的目的。输出采用多电平移相式PWM，同一相中不同串联单元的三角载波互差一定的相位，以增加输出电压台阶，提高等效开关频率，改善输出电压波形。图7为移相式PWM原理。该发明提出的单元串联多电平高压变频器方案成为目前市场上主流的单元串联多电平方案。同时，该发明还最早提出了功率单元旁路的概念。
图5 单元串联式多电平高压变频器方案
图6 功率单元结构
图7 多电平移相式PWM
1998年5月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法，在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压的之间的相位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，同时最大程度提高了电压利用率。该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。
图8 功率单元旁路结构
图9 中心点偏移功率单元旁路原理
罗宾康公司的创造性贡献是：率先引入多重化移相变压器和多电平移相式PWM等概念，解决了输入谐波、输出谐波、dU/dt、共模电压和可靠性等问题，于1994年推出了目前获得大面积推广的全球第一台单元串联式多电平高压变频器，在该技术领域一直处于领先地位，对这种技术方案的推广起了很大的促进作用。
3 单元串联式多电平高压变频器现状
由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。
由于西屋电气和罗宾康公司的二个发明仅在美国进行专利申请，所以相应的技术目前在我国属于公知技术。
除了罗宾康公司外，国外还有东芝，三菱，富士等厂家生产单元串联式多电平高压变频器。国内也有以利德华福，东方日立为代表的众多生产厂家。驱动电动机的功率在3500kW以下，全部为空冷。此外，也有采用三电平功率单元的方案，还有采用常规IGBT直接串联（带动态均压）的产品。
我国高压电动机多为6kV和10kV等级，目前，三电平变频器受到器件耐压的限制，尚难以实现这个等级的直接高压输出，而单元串联式的输出电压能够达到10kV甚至更高，所以在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，几乎已经形成垄断的态势。
常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，无法实现能量回馈功能，不适用于轧机、吊机等要求四象限运行的场合，这是这种高压变频器存在的缺点。对要求四象限应用的场合，目前还是以带AFE的三电平变频器和传统的交交变频器为主。
功率单元旁路方案大大提高了单元串联式多电平变频器的可靠性，从很大程度上弥补了元器件个数多导致可靠性降低的问题。
单元串连结构决定了这类变频器很容易实现模块化设计，适合大批量生产，形成产业化规模。
功率单元采用H桥结构已广为接受。也有个别国外厂家在功率单元内部采用三电平结构，以减少变频器中功率单元的个数。但这将导致单元结构和控制复杂性增加（如三电平PWM和电容中心点电位波动问题），效果并不理想。
目前，国际上该技术的发展已经比较成熟，输出电压等级达到14.4KV。最大容量是罗宾康公司为某液化天然气压缩站项目提供的用于60000kW同步电动机的变频器，输出电压为7200V,输出频率最高达100HZ，采取水冷技术。
国际先进厂家已采用无速度传感器矢量控制和速度闭环矢量控制。能驱动同步电动机和多绕组电动机。能实现变频驱动和电网直接驱动的无扰切换（同步切换）。罗宾康公司2001年推出的无速度传感器矢量控制高压变频器可达到的技术指标为：调速范围100:1，稳态转速精度0.5%，转矩线性度7%，转矩响应750rad/s，转速响应20rad/s。国内目前大部分产品为V/F控制，无速度传感器矢量控制的产品正在开发中。
4 单元串联式多电平高压变频器发展展望
单元串联式多电平变频器的主电路拓扑和总体控制策略已基本成熟，出于对可靠性、寿命、成本、控制性能等几方面的要求，在以下几个方面会有一定的发展。
4.1 冗余设计
高压变频器使用场合的重要性决定了其对可靠性有很高的要求。冗余设计可以弥补多电平变频器元件数量较多所产生的可靠性问题，大大提高其MTBF。冗余设计包括主回路的冗余设计和控制系统的冗余设计。
主回路的冗余设计主要采用功率单元旁路技术和采用多台变频器给多相电机供电的方式。功率单元旁路技术已经比较成熟并得到广泛应用。考虑到大部分电机为三相电机，在超容量应用领域，采用多台变频器并联的技术方案会有一定优势，在扩大容量的同时还能实现冗余设计。
4.2 无速度传感器矢量控制
无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下，大大提高变频器的性能，拓展变频器的应用领域。即使用在风机水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合，无速度传感器矢量控制具有的转矩限幅、快速转速跟踪再起动等功能有效地防止加速过程的过电流跳机和减速过程中的过电压跳机和其它不正常的停机现象，对于保证变频器的可靠运行有非常重要的意义。
单元串联式多电平高压变频器由于输出电压电流波形比较理想，相对低压变频器而言，实现无速度传感器矢量控制的难度有所降低。电机参数不准和时变是影响无速度传感器矢量控制性能的重要因素，要求控制算法中尽量避开敏感的参数或增加电机参数在线辨识和控制系统参数修正功能，以提高系统的鲁棒性。
4.3 高耐压功率器件应用
目前，单元串联式多电平高压变频器基本采用低压IGBT(1700V以下)作为主要功率器件，功率单元的额定输出交流电压通常在750V以下，因而导致变频器所用元器件数量多于其它类型的变频器。现在也有公司采用3300V的IGBT作为功率器件。以后也可能考虑采用IGCT等耐压更高的功率器件，以简化主电路结构，提高可靠性。当然，采用高耐压器件后带来的整体成本增加和由于串联单元个数减少引起的波形质量下降必须综合考虑。
4.4 大容量化
随着应用领域的扩展和相关技术及工艺的进步，高压变频器容量逐步增大。冷却问题随着容量的增大变得十分重要。在大容量领域，水冷技术是比较合适的选择，国外水冷技术的变频器输出电流可达到1400A。水冷技术对结构设计和热设计提出了很高的要求，同时对基础制造业也提出了挑战，国内目前制造水冷变频器的主要瓶颈在于水冷变压器和水冷散热器，连接件等配套工业。水冷高压变频器的水循环系统比较复杂，冷却介质一般采用纯净水加一定比例的防冻剂，如乙二醇。水循环系统必须有温度，压力，流量，导电率的监测和控制，需要安装去离子装置和水位调节储水罐等附件。水冷方式的优点是散热效果好，噪音小，缺点是成本高，维护复杂。
目前国际范围内690V等级空冷功率单元成熟产品的最大电流为600A左右。上海艾帕电力电子有限公司正在利用专利技术开发1000A的空冷功率单元，用于超大容量空冷高压变频器。
在某些大容量应用领域，也可以采用多绕组电动机，用多台变频器分别供电，协调控制，以达到扩展容量和冗余设计的目的。
4.5 能量回馈功能
常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，能量无法向电网回馈，导致变频器制动能力非常弱，只能应用于风机、水泵等负载，应用范围受到很大限制。罗宾康公司2000年8月申请了美国专利，采用AFE功率单元实现单元串联式多电平变频器的四象限运行, 而且输入功率因数可调，其结构如图10所示。这种结构的缺点是成本较高，PWM整流产生的损耗会引起系统效率下降。也可采用在输入二极管整流器处反并联可控硅逆变桥的方式实现能量回馈，采用这种方案成本相对较低，缺点是可靠性不高。
图10 采用AFE结构的功率单元
4.6 高速电动机应用
高速直接电驱动时不需要增速器，具有效率高、维护简单、可靠性好等优点，越来越受到重视，代替传统的电机加增速器方式，特别在天然气管道输送行业有很好的应用前景。采用高速电动机驱动要求变频器能输出较高的频率，譬如300Hz，这对高压变频器的诸多方面，比如电压环的采样频率、PWM调制技术、高输出频率下的波形失真，逆变电路的损耗等提出了一些新课题。
4.7 高可靠铝电解电容和金属化安全膜电容器应用
目前单元串联式多电平变频器中普遍采用铝电解电容作为滤波电容。由于电解电容的额定电压不高，其标称电压通常不超过500V,在实际使用中经常需要2组或3组电容串联以满足直流母线电压的要求，这时还需要均压电阻。在电容器串联使用时，电容器的漏电流成为一个非常重要的指标，较小的漏电流有助于减少均压电阻的功率，降低损耗和成本。电解电容存在的主要问题是寿命随着运行温度的上升衰减相对较快，在设计时要特别考虑温度问题。其优点是价格相对便宜，技术成熟。以江海电容器为代表的国产电容器已经达到国际先进水平。
薄膜电容电压较高，单个电容可达几千伏，一般不需要串联，在直母线电压较高的场合应用有一定优势。小容量的薄膜电容一般采用干式，大容量的采用油浸或充气式。作为逆变器直流环节滤波用的薄膜电容一般采用金属化安全膜，具有自愈功能，寿命较长而且耐高温，缺点是价格较贵，体积比同容量电解电容大不少。薄膜电容对长期过电压比较敏感，会导致寿命下降，在设计时要保证足够的电压裕量。
4.8 多电平PWM
目前单元串联式多电平变频器基本采用SPWM，通过参考电压波和三角载波比较的方法实现PWM控制，可注入三次谐波进行马鞍形调制以提高输出电压。具体实现时采用大规模可编程逻辑器件或其它方式。国际上有很多学者参照二电平和三电平空间电压矢量控制的方法研究多电平变频器的空间电压矢量控制方法，取得一定进展。当电平数较多时，由于算法过于复杂，目前在实际产品中还没有应用。
也有采用所谓的“堆波”技术，利用多个脉宽不同的矩形波进行输出波形叠加，但在实际产品应用中存在每个功率单元出力不均衡，输入谐波抵消效果不理想，低频输出时部分单元由于二极管长时间续流运行导致直流母线过电压等缺点。
也有采用不同电压等级的功率单元串联，经过组合，在相同个数功率单元的前提下实现更多电平的输出，目前仅停留于理论阶段，现实意义不大。
5 结束语
自从1994年推出第一台单元串联式多电平高压变频器后，经过十多年的发展，该技术已基本成熟，并且得到广泛应用。单元串联式多电平高压变频器的基本结构已经成熟，国外先进厂家主要在大容量，高性能，冗余设计，可靠性等方面进行研究和产品升级。我国该技术的研究和产业化也紧跟国际潮流，在产业化方面仅次于美国，和日本相比各有优劣，总体处于先进水平。国内电力，市政，冶金，石化等行业对高压变频器需求很大，而且每年增长迅速，给我国高压变频器产业化创造了很好的市场条件。目前，国内主要配套产业，如多脉冲整流变压器，大容量电解电容器，散热器，高压软电缆等基本成熟。目前主要的瓶颈是技术研发环节，尤其在大容量和高性能领域和国际领先水平相比有较大差距。随着电力电子和电气传动技术的进步，国内企业核心研发能力的增强，未来几年我国高压变频器产业有望进入一个高速发展期。
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[5] Hammond P, A New Approach to Enhance Power Quality for Medium Voltage Drives, 1995 IEEE/PCIC Conference Record:231-235
作者介绍：
竺伟，男，1973年出生，博士，高级工程师。1998年毕业于上海大学自动化学院电力传动及其自动化专业，获工学博士学位。现任上海艾帕电力电子有限公司总经理。中国自动化学会电气自动化专业委员会委员和中国电工技术学会电控系统与装置专业委员会委员。长期从事电气传动和电力电子方面的研究，擅长矢量控制高性能通用变频器和大容量高压变频器，在国内外学术期刊和会议上发表论文10余篇，编写专著《通用变频器及其应用》第6章“高压变频器”。
陈伯时，男，1928年出生，上海大学教授，博士生导师。长期从事电气传动及自动控制教学与科研工作。曾任国务院学位委员会电工学科评议组成员、欧洲电力电子学会（EPE）国际指导委员会委员、中国电工技术学会理事、电控系统与装置专业委员会副主任委员、电力电子学会副理事长、中国自动化学会电气自动化专业委员会副主任委员、全国高校电工及自动化类专业教学指导委员会副主任委员。担任全国高等学校自动化专业教材编审委员会顾问、全国高等学校电气工程与自动化系列教材编审委员会副主任委员、《电力电子技术》杂志编辑委员会主任等职务。与同行合作编著《自动控制系统》、《电力拖动自动控制系统》、《交流调速系统》，译校《电气传动控制》等，在国内外发表学术论文130余篇。
周鹤良：中国电工技术学会常务副理事长，教授级高工。长期从事电工技术管理工作，曾任机械工业部电工局局长，重大技术装备办公室主任，发表80多篇技术论文，著有《电工技术与管理》。
