混合七电平高压变频调速技术的研究

发布时间：2016-08-20 06:23

第1章 绪论 

1.1 课题研究的背景和意义 
在经济全球化的大背景下，社会发展的内生动力得到空前释放，世界能源消耗总量持续高速增长。据英国石油的《世界能源统计年鉴》显示，2010 年中国首次超过美国成为世界上最大的能源消费国，而全球能源消费增速也达到1973 年以来的最高水平。这份出版物显示，2010 年中国能源消费量占全球的20．3%，超过了占全球 19%的美国，可见我国有着巨大的能源消费需求。然而我国能源利用率相比于发达国家仍然处于较低水平[1-3]。在当今能源短缺的大背景下，优化产能结构，提高能源利用效能势在必行，“开源节流”已逐渐成为人们的共识。 19 世纪 70 年代的第二次工业革命拉开了人类利用电能的帷幕，自此人类进入了“电气时代”[4]。电能的发明和广泛使用深刻地影响着人们的生活方式。其中，照明和交通方式的改变对于我们生活的影响尤为明显。由于电能在生产、输送、分配、管理、控制、使用和能量转换等方面都极为便利，因而在众多的能源类型中脱颖而出，成为能源供应的主要形式。另一方面，由于风能、太阳能等其它形式的能源可以通过机电转换或者光化学反应等方式转换成电能，并利用成熟的电能处理技术实现功率变换，因此，电能在能源领域的地位得到进一步的巩固和加强。现在，无论是动力、照明，还是通信、化工，生产生活中的绝大多数领域都要依赖电力供应，而提高电能的利用效率显然是提高能源利用率最直接有效的方法。 通过对电能消费结构的分析可知电动机所占比重最大。电动机是电气传动的关键设备，主要应用于高压大功率电气传动系统中，它们耗电量大，而效率却普遍较低。原因在于在高压大功率传动应用初期，电机大都工作于定速恒频模式，转速不受负载变化影响，这对于长期工作在低负荷的传动系统而言，无异于“大马拉小车”，耗能现象严重。随着工业的发展，人们对调速的需求日益增加，调速传动系统才逐渐发展起来。当前主流的调速传动按应用场合的不同可分为工艺型调速传动和节能型调速传动两大类[5]。工艺型调速传动是指生产工艺要求必须进行调速的传动，例如轧机、提升机以及化工、炼油工艺流程中用机械阀门控制物料流量等场合，这类传动应用由于输出恒定，所以多余出力只能通过能耗的方式消散以实现调速过程的功率平衡，电能利用率很低[6]。
.........

1.2 高压变频调速技术的发展和应用 
自交流电动机诞生起的一个世纪里，高压大功率变频调速一直是人类没有攻克的难题。上世纪 50 年代末晶闸管的出现为变频调速的发展提供了物质基础，但在在随后的 20 年里却一直处于停滞不前的状态。直到上世纪 70 年代，高压变频调速技术才取得一定的进展。1981 年德国西门子公司最先研制出4MW 交—交变频同步电动机传动系统，助推了大功率交流调速系统实用化进程。随后，日本富士电机成功研制出 2.5MW 交—交变频同步电动机主传动系统[10-14]。由于受到当时电力电子器件发展水平的制约，这一时期生产的变频调速装置均采用晶闸管作为开关器件，由于其可控性不佳，所以系统综合性能较差，大都应用于轧机等工艺型调速场合，市场反响一般。 高压大功率全控型器件门极可关断晶闸管(GTO)的出现是高压变频调速技术发展的一个转折点。由于具有出色的控制性能，所以很快就在大功率交流调速领域占据了主导地位。 基于 GTO 的高压变频器具有功率因数高、对电网谐波污染小以及输出频率不受限制等诸多优点，但也存在着开关损失大、运行效率低、需要水冷和维护困难等问题[15]。而且由于 GTO 为电流驱动型器件，所以驱动功率也较大。因此这一阶段的高压大容量变频器仅限应用于一些特定行业和特定负载，市场需求量还不是很大。 高压变频调速技术真正的春天应当是从 20 世纪 90 年代开始的。基于IGBT 的功率单元串联型多电平技术的成功问世，有效解决了现有器件耐压不足与高压大功率应用的现实矛盾。由于采用独立电源供电，所以无需考虑模块间串联均压的问题。经过逾 10 年的发展，功率单元串联型多电平高压变频器产品已成功应用于大部分高压交流电动机传动领域，其市场份额呈现逐年递增的趋势，受到业界和用户的一致好评[16]。 
............

第2章 单元串联型高压变频器矢量控制技术 

高压变频器以多电平技术为依托，实现高压大容量电动机的变频调速。常规的多电平方案有中点箝位、飞跨电容和单元串联。其中，单元串联方案由于采用模块化的设计思想，不存在直流电容均压问题，很快就成为专家学者们研究的热点。虽然在主电路构成和控制技术方面已经相对成熟，但是在控制性能、装置可靠性以及成本控制等方面仍具较大的发展空间。 

2.1 单元串联型高压变频器的基本原理 
单元串联型高压变频器的输入端与外部高压电网直接相连，输出端直接驱动高压电动机。从结构上来看，属于典型的高—高型高压变频器。图 2-1 以三相三单元串联为例给出单元串联型高压变频器的基本拓扑结构。不难看出，它是通过功率单元输出端依序串联的方法获得高电压输出的，其主电路由移相变压器和功率单元两部分组成。 高压变频器内前置的移相变压器是联系外部高电压和内部低压功率单元的纽带。利用移相变压器的移相功能可以方便地实现输入侧多脉波整流。该技术具有改善网侧电流波形，提高基波因数，降低设备对电网谐波污染和输出无功功率的能力，而且整流电压波动也显著降低。同时，每个移相变压器又兼具电气隔离和降压功能，可以为对应的功率单元提供合适的交流电压。 功率单元均采用经典的交—直—交结构，由整流和逆变两部分组成。整流部分通常为三相不可控整流电路，逆变部分则为单相全桥逆变电路，中间通过大容量的支撑电容进行衔接。从外部接口来看，可以将功率单元视作一个三相交流输入、单相交流输出的小型低压交流变频器。通过采取载波移相的调制手段，可以使同一相的各个功率单元的输出电压间依次相差一定的角度，最后通过层层错位叠加的方法获得高压多电平的相电压输出。 
...........

2.2 永磁同步电机的矢量控制技术 

永磁同步电机是在绕线式同步电机的基础上发展起来的[30]。两者定子结构基本相同，区别主要体现在转子的励磁方式上。传统的绕线式同步电机采用电励磁方式，需要复杂的电励磁系统，效率很低。而永磁同步电机通过永磁体建立转子磁场，因此该类电机结构简单，效率和可靠性都很高。正是基于永磁同步电机在体积、重量、效率、可靠性以及控制和维护等方面的优异表现，使其在各类调速和伺服控制系统中得到广泛应用。 通常人们根据永磁体在转子上分布情况将永磁同步电机分为表贴式、嵌入式和内置式三大类。图 2-5 为这三类永磁同步电机转子的结构形式示意图。 由于永磁体与空气的磁导率几乎相同，铁心的磁导率明显高于空气的磁导率，所以表贴式转子又被称作隐极式转子，嵌入式转子和内置式转子又被称作凸极式转子。 表贴式转子是把瓦片状的永磁体贴合在转子铁心的外表面，永磁体的磁场方向为径向。永磁体的形状经过特殊设计，呈中间厚两边薄的抛物线形，使得气隙磁场为正弦分布。 嵌入式转子是把瓦片状的永磁体嵌入到转子表面的凹槽内，为加强机械牢固性，常在永磁体外表面装设非磁性套筒，或包上无纬玻璃丝带，起到固定、保护的作用。 内置式转子则是直接将永磁体深埋在转子铁心中，所产生的转子磁场由内嵌位置和永磁体形状两方面决定。由于永磁体深埋于转子中，故无需加设额外的保护措施。 当向永磁同步电机的定子绕组通入三相对称正弦电流时，会在气隙中产生幅值恒定、匀速旋转的定子合成磁场，该合成磁场与转子的永磁磁场相互作用，产生幅值恒定的电磁转矩，驱动电机转子旋转。这就是永磁同步电动机的基本工作原理。 

...........

第 3 章  混合多电平功率变换技术 .......... 30
3.1  混合多电平变流器概述 ......... 30 
3.1.1 混合多电平变流器的拓扑结构 ...... 30 
3.1.2 混合多电平变流器的调制技术 ...... 32 
3.2  混合七电平变流器的研究 ..... 32 
3.2.1 混合七电平变流器拓扑结构和工作原理 ...... 32 
3.2.2 混合七电平变流器的调制原理 ...... 33 
3.3  基于混合七电平变流器的单元串联控制 ..... 39 
3.4  基于中性点漂移的故障处理技术 ......... 41 
3.5  本章小结 ......... 48 
第 4 章  基于混合多电平的高压变频调速系统设计 ...... 49 
4.1  系统整体设计方案 ......... 49 
4.2  调速系统硬件设计 ......... 50
4.3  调速系统软件设计 ......... 54
4.4  本章小结 ......... 57 
第 5 章  实验平台搭建及实验结果分析 .......... 58 
5.1  实验平台的建立 ..... 58 
5.2  实验结果分析 ......... 58 
5.3  本章小结 ......... 60 

第5章 实验平台搭建及实验结果分析 

通过前面的理论分析和仿真验证结果，从理论的角度说明了本文所提出的控制策略的可行性。本章将在完成系统的软硬件设计的基础上，从实验的角度出发探究混合七电平单元系统的运行性能，，并对实验结果加以分析讨论。 

5.1 实验平台的建立 
通过前面的理论分析和仿真验证结果，完成系统的软硬件设计，搭建出混合七电平单元串联型高压变频调速系统的实验平台。利用该平台对系统的性能进行综合测试。为了保证实验能够安全有序完成，实验过程以低压模拟方式进行。输入侧由 18 路相互隔离的移相变压器组成，共分成两组，变比分别为20:1 和 10:1。输入电压为 200V 工频交流电，通过移相变压器分别获得 10V 和20V 的交流低压，该电压作为混合功率单元的供电电源。由于整流器为三相不可控整流，所以直流环电压分别达到 24V 和 48V，功率单元直流母线等效电压为 72V，每相串接 3 个混合功率单元后，相电压最大输出为 216V，线电压最大输出为 374V，满足低压电机的驱动需要。混合七电平单元串联型高压变频系统实验平台如图 5-1 所示。 本章搭建了以 DSP 为控制和运算核心的混合多电平高压变频调速系统实验平台。通过低压模拟的方式验证了相关控制算法的正确性，并给出了相关的实验波形。实验表明，混合七电平单元串联型高压变频调速系统具有较好的控制性能，理论研究正确，实验结果与仿真结果一致，达到了实验的预期效果。 
.......

结论 

本文针对混合多电平高压变频调速及故障处理技术开展相关的研究工作。 全文主要成果如下： 
1．传统的混合七电平控制方法会出现功率倒灌问题。本文针对该问题提出了一种新型混合载波调制解决方案。该方案从功率倒灌问题的成因出发，通过调整混合七电平输出电平冗余组合的方法得到新的控制方案。随后将控制规律简化得到适用于传统七电平拓扑的混合载波调制方案。 
2．本文提出了一种将混合七电平拓扑与单元串联多电平拓扑相结合的新型混合多电平拓扑结构，并给出系统的拓扑实现形式以及相应的载波调制技术。通过将混合七电平结构模块化的方式形成新型功率单元，并以该功率单元为基础，形成新型单元串联多电平结构。仿真和实验结果表明，新型的混合七电平单元串联多电平系统兼具混合七电平输出电平数多以及单元串联多电平拓扑模块化的优点。与传统的单元串联型拓扑结构相比，功率器件数目一致时可以生成更多电平数，输出质量显著提高。 
3．本文将混合七电平单元串联型拓扑结构应用于高压变频调速领域，并采用改进的中性点漂移技术实现故障处理的功能，仿真结果表明，故障后变频系统仍可输出三相平衡的线电压。 
.........
参考文献(略)

本文编号：98684