三電平有源電力濾波器技術詳解

三電平有源電力濾波器技術詳解

　　一、二極管箝位三電平技術

　　二極管箝位三電平拓撲由日本學者Nabae. A 等人在1980 年提出，經過近30年的發展，廣泛應用于電力電子技術的各個領域。二極管箝位三電平拓撲的優勢在于，各個開關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管，組成較高電壓等級的變流器。這個技術現在已經廣泛的應用于中壓大功率交流傳動系統中。采用6500V等級的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器，已經廣泛應用于4.2kV電動機傳動系統。通常三電平技術一般應用于電壓較高、功率較大的系統中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統需求電壓較高的矛盾現實決定的。但是我們應該看到二極管箝位三電平拓撲本身固有的一些優勢。

　　(1) 用電壓等級較低的開關管構成電壓等級較高的變流器，隨著功率器件技術的不斷發展，市場上已經有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關損耗越高，最高開關頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關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速度，或對輸出電流的能力產生了一定的限制。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生嚴重的電磁干擾，對周邊電子設備產生也重危害。而三電平以其固有的優勢，在很大程度上解決了上述問題。

　　隨著技術的不斷發展，三電平技術被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領域，引入到400V的低壓小功率應用之中，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應于400V系統應用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統兩電平變流器的趨勢。應用于400V領域的成功的三電平產品如下：

　　(1)2008年日本安川電機推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產品采用三菱的三電平功率模塊，并在應用中取得了巨大成功。

　　(2)2009年德州和能工業自動化有限公司在自主開發的三電平變流器控制技術的基礎上，推出了HEINV系列三電平光伏并網逆變器，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，各項指標均優于同類兩電平產品。

　　(3)2009年德州和能工業自動化有限公司推出了業界第一個三電平有源電力濾波器HESINE系列產品，并取得了巨大的成功。本文將對此系列產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應用于有源電力濾波器領域，國內外很多文獻都有涉及，國內外許多專家學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，有可能是技術不夠成熟，控制算法過于復雜，應用成本高，也可能是企業界對此不夠重視，尚未認識到該技術的優勢。德州和能工業自動化有限公司通過對三電平技術的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業界首先推出了三電平有源電力濾波器產品。

　　三電平有源電力濾波器與傳統兩電平有源電力濾波器相比有以下優勢：

(1) 低紋波電流，高電流響應速度。

　　紋波電流和電流響應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生的。逆變器采用脈沖寬度調制，根據電工的基本原理，紋波電流決定于開關頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環的控制無關。開關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速度有很高的要求。電流響應速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關。直流母線電壓越高，電流響應越快;輸出電感越大，電流響應越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應速度越快越好，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頻率。現在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產品的開關頻率已經達到20kHz。但是，開關頻率的提高帶來的是更高的開關損耗以及驅動損耗，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，同時器件的開關損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應速度，增強濾波效果，提高單機容量。

　　(2) 提高系統耐壓，應用于較高電壓系統。

　　通常國內低壓電網為400V，但是對于某些行業，其低壓電網會比較高，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。如何解決這些行業諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應速度、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電壓有效值的2倍。對于380V應用，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。很多企業的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變為400V。通過諧波的變壓器是經過特殊設計的，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，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統，可以直接連接到電壓較高的電網上，同時保證較好濾波效果和單機容量。

　　正是基于上述優點，德州和能工業自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術的基礎上，緊密跟蹤行業發展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產品。同時，我公司愿與業內同行企業合作，共同推進三電平有源電力濾波器的應用，為中國電能質量事業做出貢獻。