复合型大功率高压变频器的结构及应用分析

　　1 引言

　　近几年来，多电平高压变频器在大功率应用方面越来越引起了人们的注意，大量的主电路结构和控制策略不断涌现。这类变频器的输出波形由于是通过波形叠加合成的，所以具有良好的谐波频谱特性，非常适合大功率高压负载的应用。在多电平高压变频器系列中，中心点钳位式三电平(npc)在工业应用中，取得了良好的效果和一致的好评。其结构如图1所示。

　　图1 中点钳位式三电平(npc)高压变频器

　　这种三电平(npc)逆变器主电路是对称的，每相由4个igct组成，上部两个igct之间和下部两个igct之间分别通过二极管钳位，连接到变频器直流侧的中点。当闭合每相4个igct中的两个时，负载可连接到变频器直流侧的上部、下部或中部，因此每相输出三电平的电压波形。与常规变频器相比，由于逆变器输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压，在同等的开关频率下，可使输出波形质量有较大的改善。对于大功率高压变频器，为了达到更好的波形输出质量，三电平逆变器的后端采用lc正弦波滤波器进行滤波。变频器的整流器采用12脉波整流结构，其前端的变压器采用角/星/角接法。这一方面使变频器的输入电压满足要求，另一方面减小变频器对电网的谐波干扰。如果整流器也为三电平pwm控制，从而可以使输入功率因数可调，甚至可以达到功率因数为1，输入谐波很低，能够进行四项限运行，解决变频器运行过程中的电网掉电再启动问题。从而使这种三电平的高压变频器非常适于一般高压电机负载和要求四项限运行负载。目前，由于这种三电平的变频器的输出均要经过整流变压器和lc正弦波滤波器进行滤波，所以势必造成效率低下。为了提高变频器系统效率，在原三电平(npc)变频器结构的基础上，提出了一种基于igct和igbt合成技术的复合型多电平大功率变频器结构。这种新型变频器结构不但使输出电平达到9个电平，而且变频器效率大大提高。

　　2 带无源滤波器的npc逆变器

　　在图1中的npc高压变频器中，其输出的lc正弦波滤波器也可接在变频器的进线侧，作为pwm整流器(也斩控整流器)的一个单元，以满足大功率的工业应用(轧钢机的四象限运行)和电网应用(电网的无功静态补偿)。高压igct pwm整流器如图2所示。

　　图2 带无源滤波器的igct pwm整流器

　　在图2中，npc变频器通过一个lcl 滤波器直接连到3.3kv电网中，只要对网侧电抗器的压降计算合适，就可用网侧电抗器代替进线变压器，从而保证变频器的直流侧电压达到名牌要求的值。此时，主要的一个指标是在非常低的短路比(scr)情况下，满足ieee519-1992的谐波要求。因此，接连到npc逆变器中的lcl滤波器要具有足够的容量，以满足电流和电压的严格要求。在兆瓦级的大功率应用中，若短路比(scr)比较低，则该滤波器的外型尺寸就变得非常重要了。为了满足 ieee519-1992的限制，对npc逆变器采用优化的脉冲策略，对输出滤波器采用优化容量的方法。这样，低次谐波通过变频器优化的脉冲策略滤掉，高次谐波通过无源滤波器滤掉。