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电力电子转换之三电平逆变技术优越性说明-4

发布时间:2016-02-25 点击次数:13894次 来源: 类别:基础知识篇

    逆变技术在主动式电能质量治理中占有很大比重的硬件技术地位。逆变电路其实是把已经是直流的电流通过电力电子技术,变成接近正弦波的交流电流输出的过程。那么怎么才能把直流电变成交流电呢?怎么才能让输出波形更加接近正弦波呢?详细了解,请看下文。


一、什么是三电平? 

    上世纪八十年代,日本学者Nabae提出了基于二极管钳位的三电平逆变电路[2],其典型的拓扑结构如图1所示,整个逆变电路每个桥臂由4个IGBT和6个二极管构成。虽然三电平电路在拓扑结构上相对更为复杂,但相对于传统二电平逆变电路只能输出高、低两个电平,这种新颖的逆变电路可以通过上、下管的开通输出高、低电平,通过中间二极管的钳位作用输出零电平,总共三个电平状态,因此被成为三电平逆变电路。

 

以下图A相逆变桥臂的中点电位变化为例,来简述三电平的具体含义。

 

当A相桥臂上桥臂的两个IGBT导通,则A点电位与正母线电位相同,为U,每个IGBT承受的应力平台电压为U/2,如Loop 1所示 

当A相桥臂下桥臂的两个IGBT导通,则A点电位与负母线电位相同,为-U,每个IGBT承受 

的应力平台电压为U/2,如loop 2所示 

当A相桥臂上桥臂第二个IGBT及旁路钳位二极管导通时,A相逆变桥处于续流状态,A点电位与母线中点电位相同,为0,如loop 3所示 

从上面描述的A相三个导通回路可知,A点电位可呈现U/2\0\-U/2三种电平状态,故称之为三电平。 

 

传统二电平拓扑及电平状态:

 

                                   图1 

同样以A相逆变桥臂的中点电位变化为例,来简述二电平的具体含义 

当A相上桥臂IGBT导通,A点电位与正母线电位相同,为U,IGBT承受的应力平台电压同样为U,如loop1所示; 

当A相下桥臂IGBT导通,A点电位与负母线电位相同,为-U, IGBT承受的应力平台电压为U,如loop2所示; 

由上述可知,A相两个导通回路可知,A点电位只能呈现U\-U两种电平状态,故称之为二电平。

 

二、三电平拓扑结构优势 

上述是分别从定义角度对三电平和二电平进行的描述,接下来我们就来看看他们具体的差异化体现在哪些方面: 


1.输出波形 

二电平逆变电路输出的电压波形 

 

                                  图2 

三电平逆变电路输出的电压波形

 

                                        图3 

    三电平逆变器的基本原理是利用多个电平合成阶梯波以逼近正弦输出电压,由于较两电平逆变器多了一个输出电平,其输出的PWM波更接近于正弦波形。图2和图3为两电平和三电平逆变器输出的PWM波形对比,可以直观地分辨出三电平输出PWM波形更接近于正弦,纹波含量更少。

 

2.开关损耗 

    在三电平逆变电路中,直流母线电压U由两个IGBT分担,每个桥臂上的IGBT所承受的电压为直流侧输入电压的一半,U/2;而在二电平逆变电路中,直流母线电压仅有一个IGBT承担,每个桥臂上的IGBT所承受的电压直接为直流侧输入电压,即U;所以三电平逆变电路中IGBT在开始导通和关断结束时候承受电压为两电平的一半,这就决定了三电平的IGBT开关损害比两点平的开关损耗要小很多;

    图4为IGBT开关元件在导通瞬间的电压、电流趋势图,红色曲线为二电平逆变电路中IGBT所承受的电压变化趋势图,浅紫色曲线为三电平IGBT所承受的电压变化趋势图,蓝色曲线为IGBT导通电流趋势图,由图可知,当IGBT导通时,电流急剧升高,电压下降,此时电压电流都处于变化状态,称之为开通状态,开关元器件开通状态下电压与电流形成的包络积分(P=UI)为开关损耗,图中包络阴影面积1为二电平逆变电路IGBT的开关损耗,包络阴影面积2为三电平逆变电路IGBT的开关损耗,可以很明显的看出两电平逆变电路中IGBT的开关损耗要大于三电平,IGBT的开关损耗是直接以热的形式表现的,通常IGBT的工艺封装一定时,它的热处理能力也是一定的,为了控制IGBT产生的热量低于自身承受范围之内,并且当电压一定时,只能通过减少开关通断次数减少热量损耗,这就是为什么二电平逆变电路IGBT的开关频率要做的比三电平逆变电路IGBT开关频率低的原因,因为二电平IGBT承受的电压为三电平IGBT的两倍,它必须通过牺牲开关频率降低自身的热损耗,而三电平IGBT便能利用其低开关损耗特性形成的热处理裕量,充分提升自身频率,实现高频化、快速性,另外由于IGBT低的开关损耗,使得相同电流容量的IGBT安全工作区不同,三电平的安全工作区明显比两电平的安全工作区要宽,例如电路发生短路或者瞬间异常大电流时,三电平耐受大电流的时间要比两电平长,也就说三电平的IGBT可靠性更高。 

       

                                                  图4 


3.纹波电流更小、更少 

    纹波电流是指叠加在逆变器有用输出电感电流上的高频三角波电流,属于谐波不利成份,会降低输出电流质量,造成电网谐波污染;逆变器输出纹波电流大小与逆变电感上的电压有关以及和IGBT的开关频率大小有关; 


3.1纹波电流更小 

假定外部电网电压为同一值下; 

二电平逆变电感上的电压为: 

△U2=U-USsin(wt+Φ) 

如前所述,三电平IGBT承受电压仅为二电平一半,三电平逆变电感上的电压为: 

△U3=U/2-USsin(wt+Φ) 

由上可得:△U2 > △U3 

又有: 

△U2=L*di/t 

△U3= L*di/t 

由于△U2 > △U3,可得di(△U2)> di(△U3),再加上开关频率的影响,二电平逆变电路产生的纹波电流要比三电平逆变电路大,所图5、6所示; 

二电平逆变电路纹波电流图示:

 

                             图5 

三电平逆变电路纹波电流图示: 

 

                             图6 


3.2 纹波电流更少 

    逆变器输出纹波电流的多少与IGBT开关频率和逆变器输出LCL滤波器有关 

    一般逆变器输出端都会配有LCL滤波回路以滤除逆变器产生的纹波电流,当LCL滤波器的硬件结构确定,那么它的滤波特性也便随之确定了,图7是普通的低通LCL滤波器的衰减特性图,f1为截止频率,0~f1频段的电流允许输出滤波器,f1往后频次的电流将会随频率的增加而衰减得越多直至0; 

    纹波电流产生的频次主要集中在开关频率附近,例如逆变器的开关频率为5kHz,则其产生的纹波电流主要分布在5kHz附近; 

    如前所述,二电平逆变器电路为降低开关损耗,而不得不降低开关频率,一旦开关频率离LCL滤波回路截止频率太近,逆变器开关频率附近产生的纹波电流的频次就越接近于截止频率,离截止频率越近的纹波电流衰减特性越弱,意味着输出到电网的纹波电流就越多,甚至某些纹波电流的频率低于截止频率,则可以直接透过LCL滤波回路输出到电网; 

    由于三电平IGBT开关频率可以达到20Khz,几乎是两电平IGBT开关频率的3倍以上,因此三电平逆变电感的开关纹波电流相比较两电平逆变电感的开关纹波电流离LCL滤波器截止频率越远,从而使三电平逆变电感纹波电流衰减量比两电平逆变电感开关纹波衰减量大很多,输出到电网的纹波电流少很多; 

      

                                       图7 


4.高频化 

    高压IGBT受应用电压等级影响决定了其开关频率和开关速度均要比低压IGBT小很多,而三电平实现了低压IGBT的高频应用,相对于有源滤波器而言,开关频率高低直接的体现除了补偿速度快慢之外,还能决定所能实现补偿频域的宽窄,开关频率所处频段越高,滤波器能选择实现的滤波频段就越宽,反之越窄。 

    如图8所示,假设两电平的开关频率为5KHz,逆变器产生的纹波电流主要分布在开关频率附近,而5Khz频点离LCL滤波的截止频率f1较近,此时5KHZ两电平产生的纹波电流的衰减率很小,整体含量较高,如果两电平有源滤波器设计的滤波次数为50次(2.5kHz)以内, 如前所述,纹波电流频次分布离2.5KHZ比较近,当滤波器要输出高频反向谐波电流补偿系统高频谐波时,就会夹杂一定量的纹波电流输出,所以为了降低输出纹波电流,两电平滤波器只能通过降低滤波带宽以减少输出电流谐波大小,另外由于两电平滤波器开关频率低,导致相对于三电平逆变器产生相同电流的控制开关次数减少,将产生更多的纹波电流,所以某二电平品牌滤波器的补偿次数只能做到25次内(1.25kHz)。 

    而三电平滤波器可实现的开关频率相对于两电平要高很多,可以做到20KHZ,图8可以看出,20KHZ开关频率点离截止频率点较远,所产生的纹波电流大部分都已经被衰减到很小的值,此外由于开关频率的提高,导致逆变电感纹波电流减少,从而使系统输出到电网的纹波电流减少到最小,既保证了无衰减输出补偿电流,又保证了放出的谐波最小,这就是为什么三电平滤波器品牌可以选择补偿更高频段谐波的原因。 

 

                                  图8 

5.输出电感电容小 

    有源滤波器输LCL滤波电路如图9所示:

 

                                        图9 

截止频率是LCLL滤波回路一项最重要的参数,它的值决定了LCL滤波回路带宽及滤波效果,截止频率与滤波回路内部电感、滤波电容的关系公式如下:

 

 

                    

    由公式可知,截止频率值越小,滤波电感、电容值便越大,反之,截止频率值越大,滤波电感、电容值便越大 

    前面已论述,由于三电平逆变电路较二电平逆变电路开关元件IGBT承受的电压更低,IGBT可以实现的开关频率更高,滤波器的带宽可以更宽。 

我们假设三电平逆变电路开关频率为20kHz,如图10所示,1为LCL滤波器的特性曲线,f1为截止频率,可见20kHz频点离截止频率f1较远,此时20kHz频点附近的纹波电流衰减得很小,如果我们将LCL滤波特性曲线右移至2,对应的截止频率变成f2,从图中可以看出,20kHz频点在对应特性曲线2上的衰减度仍然为高值,即附近的纹波电流依然会衰减得很小,所以三电平逆变电路IGBT开关频率高频化允许其LCL滤波器的截止频率设计的较高,而二电平逆变电路却存在局限性,因为其本身IGBT开关频率较低,离LCL滤波器截止频率较近,本身的带宽已经不足,如果截止频率再右移,离开关频率更近,对纹波电流的衰减能力急剧减少,从而无法保证输出电流对谐波的要求。

 

    而前面公式已论证,截止频率值越小,滤波电感、电容值便越大,反之,截止频率值越大,滤波电感、电容值便越大,三电平开关频率的高频化,使得其开关频率与截止频率频域区间很宽,允许截止频率右移,截止频率的值可以设计得更高,意味着滤波电感和滤波电容值可以设计得更小,而无论电感还是电容,其值都与体积成正比,值越小,体积就越小,所以三电平输出电感和电容体积可以设计得更小,滤波器整体设计可以趋于小体积模块化,利于安装应用,特别适用于分布式治理需求,另外电感体积越小,本身匝数就越少,电感上的有功损耗就会越小,效率提升。而二电平因开关频率低所限,通常需要采用大电感大电容,使滤波器整体体积偏大、效率降低。

 

                                  图10 

 

6.快速性 

6.1 

    三电平滤波器应用电感小除了可以减小滤波器体积、降低损耗提升效率之外,也能提升滤波器响应速度,即输出电流的快速性 

                          

当电感上的电压一定时,电感L值越小,则didt越大,didt越大意味着相同时间内,逆变器能输出更大的电流,更及时的响应负载电流的变化 


6.2 

    IGBT的设计指标、性能要求;于生产厂家而言都会根据IGBT应用电压等级做出差异化,例如1000V以上的IGBT都要求做慢开、慢关断的工艺处理,不允许快速开通、快速关断,而低电压等级IGBT则没有这些限制,反而快开通、快关断是可以利用的发挥的优势,可以将开关频率做得更高,使IGBT具备更好的开关特性、导通性;开关频率的提升意味着开关周期的缩短,应用低电压IGBT开关的电路响应速度便会更快 。

                           

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