电流型多电平变流器拓扑和控制技术的研究

大功率矿井提升机中的多电平变流器的应用分析

对用于大功率矿井提升机中的多电平变流器进行了介绍。首先分析和对比了中点钳位3电平、级联 H 桥多电平和有源中点箝位 5 电平等主要多电平结构变流器在矿井提升机中应用时的优缺点，并介绍了一种新型多电平变流器结构——模块化多电平变流器 (MMC)，对其在矿井提升机中的应用进行了展望。矿井提升机是矿山的关键设备，其运行性能的优劣既关乎设备与人员安全，又直接影响到矿山的生产效益。矿井提升机系统装机容量大，运行过程中周期性启停，要求变流器具有四象限运行能力和高可靠性[1]。随着电气传动技术的不断发展，多电平变流器已成功用于大功率矿井提升机。

目前，在大功率矿井提升机中实现商业化运行的多电平变流器主要有 3 种结构：中点钳位 (Neutral-Point-Clamped，NPC) 3 电平结构[2-5]、级联 H 桥(Cascaded H-Bridge，CHB) 多电平结构[6-11]和有源中点钳位 (Active Neutral-Point-Clamped，ANPC) 5 电平结构[12]。大容量矿井提升机主要使用 3.3、6.0 和 10.0 kV中压交流电动机。3 电平 NPC 变流器结构紧凑、成本较低、控制方法比较成熟，主要用于 3.3 kV 电压等级的提升机；CHB 多电平变流器采用级联的模块化功率单元，使用低压开关器件即可输出高压多电平，目前能够实现 10.0 kV 电压等级产品化；5 电平 ANPC 结构能够使用现有电压等级的 IGBT 实现 6.0 kV 5 电平输出，通过背靠背连接可实现四象限运行，满足提升机应用需求。

模块化多电平变流器 (Modular Multilevel Con-verter，MMC) 具有与 CHB 相似的高度模块化结构，不需要使用多绕组移相变压器。2 个结构相同的性[14]，能够很好地应用于环境苛刻的工业现场，是矿井提升机下一代电力传动较理想的大功率变流器，具有极大的发展前景。

流器拓扑结构 ，其三相电路如图 1 所示，输出电压工业化应用。

(2) NPC 工作时开关器件损耗不平衡[19]，造成其结温不同，限制了变流器的容量和开关频率的提升，且对系统散热要求较高。

１．２级联Ｈ桥多电平变流器级联 H 桥型多电平变流器通过增加级联的功率单元数量能够实现高压多电平输出，N 单元级联可输出 2N + 1 电平。5 单元级联 H 桥型多电平变流器结构如图 3 所示。为实现四象限运行，功率单元前端采用PWM 整流器[20]，其结构如图 4 所示。5 单元 CHB 变流器输出相电压 11 电平，波形如图 5 所示。

１．３　有源中点钳位型　５　电平变流器三相有源中点钳位 5 电平变流器拓扑结构[23]如图 6 所示，输出波形如图 7 所示。ANPC 结构解决了NPC 结构钳位二极管数量过多的问题，同时可以通过控制算法实现直流母线电容中点电压平衡。

CHB 具有以下优点。

(1) 输入侧采用了多绕组移相变压器，大大降低了输入电流的谐波含量，因此无需增加滤波器即可满足电网对谐波的要求，简化了系统结构，提高了整机效率。每个功率单元由变压器独立供电，相比 NPC不存在电容电压不平衡问题。

(2) 采用模块化设计便于扩展，通过增加功率单元数量，在没有增加开关器件承受电压的基础上增加了输出电压和电平数，能够实现 6.0、10.0 kV 电压输出。

(3) 开关器件工作频率较低，降低了开关损耗，提升了系统效率，同时等效开关频率很高，输出电平数多，输出电压谐波含量较低，不需要配合滤波器使用。

(4) 输出电压变化率 du/ dt 较低，可使用普通绝缘等级电动机，且能满足长线电缆应用需求。

(5) 可冗余配置，当 1 个功率单元故障时，通过旁路该功率单元，同时投入热备份单元，即可实现变流器满载不间断运行[21-22]，满足提升机安全运行要求。

CHB 变流器的最大缺点是输入侧采用多绕组移相变压器，其结构复杂，增加了系统的体积和成本。此外，为实现能量回馈，控制电路和算法十分复杂，控制电路成本较高。

目前，级联 H 桥型多电平变流器是 6.0、10.0 kV中压矿井提升机传动系统的主流选择，既可用于驱动交流异步电动机[8-10]，又可用于驱动同步电动机[6]。

近年来，国内数家厂商先后开发出了级联 H 桥结构的产品，已经在提升机中推广应用。ANPC 能够直接实现高压输入和输出，相比 CHB结构，不需要多绕组移相变压器，大大减小了系统的体积和成本。使用现有电压等级的开关器件就能实现 6.0、10.0 kV 电压输出。电平变流器为电动机提供 9 电平线电压，电压波形更接近正弦波，相比 3 电平 NPC du/ dt 减小很多，能够满足普通电动机绝缘性能，无需降容即可直接连接电动机。

通过背靠背连接可实现四象限运行，满足提升机需求。ANPC 无法实现冗余配置，故障后必须立即停止运行进行维修更换。2010 年 ABB 公司推出基于 5 电平 ANPC 结构的ACS2000 型 6.0 kV 中压变频器[25]，容量为 315 kW ~ 2MW，使用 4 500 V IGBT 功率器件。组硬件结构完全相同的三相变流器背靠背连接。控制平台使用 ABB成熟的直接转矩控制技术，获得优异的调速性能，能实现极低频率下输出最大转矩，目前已在矿井提升机中取得了一定的应用[12]。

模块化多电平变流器的拓扑结构，如图 8 所示。其中 SM 为 MMC 子模块 (sub-module，SM)，具有多种结构[27]，应用最广泛的为半桥结构，如图 9 所示。每相含有 2N 个子模块，上、下桥臂各包含 N 个串联的子模块和一个桥臂电感 L，每相输出从 2 个桥臂电感

(2) MMC 具有公共直流母线，不需要多绕组移相变压器，相比 CHB 结构具有明显的成本和体积优势，可以组成背靠背系统，实现能量的双向流动。

(3) 输出电平数多，输出电压谐波含量低。

(4) 开关频率低，系统开关损耗小。

(3) 变频运行。

提出了优化的矢量控制算法，可使 MMC 驱动电动机变频运行。文献 [41-42] 则提出通过改进 MMC 拓扑结构，实现降低电动机低频运行时的转矩脉动。西门子公司已经推出基于 MMC 拓扑的 GH150型中压变频器[27]，用于驱动大功率风机和泵类负载，目前还没有应用于矿井提升机。随着研究的不断深入，MMC 在传动方面的技术逐渐成熟，有望实现在矿井提升机中的工业化应用。

３结语

介绍了目前应用于大功率矿井提升机的多电平变流器，分析和对比了 NPC、CHB 和 ANPC 等 3 种拓扑结构的优缺点。在此基础上，介绍了一种新型多电平变流器 MMC，并对 MMC 的优缺点和待解决的主要技术问题进行了概述。MMC 具有极高的发展前景和实用价值，是目前电力传动领域研究的热点，已经日趋实用化，将会成为新一代矿井提升机变流器的理想选择。

文章来源：www.kndj.net

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