高壓變頻器-孫力

1、 中中( (高高) )壓大功率交流變頻調(diào)速技術壓大功率交流變頻調(diào)速技術 -國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢主要內(nèi)容 高壓變頻的應用領域 采用高壓變頻的重要意義 技術現(xiàn)狀 國內(nèi)外廠商概況與發(fā)展趨勢 哈工大與九洲公司合作的情況高壓大功率變頻器應用領域高壓大功率變頻器應用領域 水處理石油化工 發(fā)電廠鋼鐵,造紙列車船舶FACTS應用意義應用意義: :巨大的節(jié)能潛力巨大的節(jié)能潛力優(yōu)異的控制性能優(yōu)異的控制性能 高壓電動機采用變頻調(diào)速后節(jié)能效果約為高壓電動機采用變頻調(diào)速后節(jié)能效果約為(20%-70%),(20%-70%),以平均節(jié)電以平均節(jié)電2020計算，對全國來說年節(jié)電計算，對全國來說年節(jié)電500500億度，可以相應

2、減少億度，可以相應減少20002000萬噸發(fā)電用煤，萬噸發(fā)電用煤，5050萬噸二氧化硫和萬噸二氧化硫和12001200萬噸二氧化碳的排放。萬噸二氧化碳的排放。 提高產(chǎn)品質(zhì)量與運行特性提高產(chǎn)品質(zhì)量與運行特性, ,減低設備故障率減低設備故障率, ,提高設備使用壽命提高設備使用壽命電力半導體器件的發(fā)展電力半導體器件的發(fā)展 電力半導體器件的容量與頻率特性電力半導體器件的容量與頻率特性高壓變頻器的種類交交-交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速交交-直直-交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速傳統(tǒng)交傳統(tǒng)交-交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速新型交新型交-交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速傳統(tǒng)的交傳統(tǒng)的交- -交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速u優(yōu)點優(yōu)點: :結構簡單可靠結構簡單可

3、靠, ,功率等級大功率等級大 u缺點缺點: :不能實現(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)頻控制不能實現(xiàn)寬范圍的連續(xù)調(diào)頻控制, ,功率因數(shù)低功率因數(shù)低, ,轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩脈動大，諧波分量造成的鐵損較大脈動大，諧波分量造成的鐵損較大 0新型交新型交- -交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速 u優(yōu)點優(yōu)點: :具有較強的可控性，輸出頻率不受輸入頻率的限制，具有較強的可控性，輸出頻率不受輸入頻率的限制， 輸出波形比較理想，波形失真小，功率因數(shù)不受負載限制輸出波形比較理想，波形失真小，功率因數(shù)不受負載限制u缺點缺點: :控制方法復雜，實現(xiàn)比較困難控制方法復雜，實現(xiàn)比較困難 交交- -直直- -交變頻調(diào)速交變頻調(diào)速 高高-低低-高電壓源型高電壓源型

4、直接器件串聯(lián)兩電平型直接器件串聯(lián)兩電平型 電流源型電流源型新型多電平電壓源型新型多電平電壓源型高高- -低低- -高電壓源型高電壓源型 低壓變頻器降壓變壓器升壓變壓器是由低壓變頻向高壓變頻發(fā)展的過度方式是由低壓變頻向高壓變頻發(fā)展的過度方式, ,實質(zhì)還是低壓變頻實質(zhì)還是低壓變頻 存在中間低壓環(huán)節(jié)存在中間低壓環(huán)節(jié), ,電流大電流大, ,結構復雜結構復雜, ,效率低效率低, ,長期運行費用長期運行費用相對比較高相對比較高, ,隨著新型大功率電力開關器件的出現(xiàn)隨著新型大功率電力開關器件的出現(xiàn), ,有被淘汰有被淘汰的趨勢的趨勢M直接器件串聯(lián)兩電平型直接器件串聯(lián)兩電平型(SC2L)(SC2L)u優(yōu)點優(yōu)點l

5、結構簡單可靠結構簡單可靠, ,功率等級大功率等級大 l使用的功率器件少使用的功率器件少 u缺點缺點l串聯(lián)的各器件間存在較大的電壓串聯(lián)的各器件間存在較大的電壓 l器件開關時易產(chǎn)生較大的器件開關時易產(chǎn)生較大的dudu/ /dtdt l輸入輸入, ,輸出諧波大輸出諧波大, ,需要抑制需要抑制電流源型電流源型u優(yōu)點優(yōu)點: :u缺點缺點: :l動態(tài)響應快，便于實現(xiàn)再生制動和四動態(tài)響應快，便于實現(xiàn)再生制動和四象限運行象限運行l(wèi)限流能力強，短路保護可靠性高，能限流能力強，短路保護可靠性高，能在寬范圍內(nèi)精確控制轉(zhuǎn)矩和速度等在寬范圍內(nèi)精確控制轉(zhuǎn)矩和速度等輸入需要濾波器，低頻運行特性較差，輸入需要濾波器，低頻運行

6、特性較差，功率因數(shù)低，轉(zhuǎn)矩響應慢，難以冗余功率因數(shù)低，轉(zhuǎn)矩響應慢，難以冗余新型多電平電壓源型新型多電平電壓源型 三電平中點鉗位型三電平中點鉗位型 飛跨電容型飛跨電容型 單元串聯(lián)多電平型單元串聯(lián)多電平型 改進的單元串聯(lián)多電平型改進的單元串聯(lián)多電平型三電平中點鉗位型三電平中點鉗位型(3LNPC)(3LNPC)u優(yōu)點優(yōu)點: :l 三電平技術成熟可靠三電平技術成熟可靠, ,功率器件少功率器件少l 功率因數(shù)高功率因數(shù)高, ,響應速度快響應速度快l 與兩電平相比與兩電平相比, ,dudu/ /dtdt大大降低大大降低, ,輸輸 出波形質(zhì)量好出波形質(zhì)量好, ,諧波少諧波少u缺點缺點: :l PWM PWM控

7、制策略比兩電平復雜控制策略比兩電平復雜l 需要大量的鉗位二極管需要大量的鉗位二極管l 需要對直流中點進行電壓平衡控制需要對直流中點進行電壓平衡控制l 輸出電壓總諧波較高輸出電壓總諧波較高, ,需要濾波器需要濾波器飛跨電容型飛跨電容型u缺點缺點: :單元串聯(lián)多電平型單元串聯(lián)多電平型( (電壓胞型電壓胞型) )輸輸出相出相電壓電壓單元串聯(lián)多電平型單元串聯(lián)多電平型( (電壓胞型電壓胞型) )的特點的特點l 優(yōu)點：優(yōu)點： 串聯(lián)型結構電平數(shù)可較多，適合更高電壓，諧波含量更少串聯(lián)型結構電平數(shù)可較多，適合更高電壓，諧波含量更少; ; 對相同電平對相同電平數(shù)數(shù), , 串聯(lián)型結構所需器件數(shù)目串聯(lián)型結構所需器件數(shù)

8、目較較少；少； 由于每一級逆變橋構造相同由于每一級逆變橋構造相同, , 給模塊化設計和制造帶來方便給模塊化設計和制造帶來方便, , 且裝配簡且裝配簡單單, , 系統(tǒng)可靠性高；系統(tǒng)可靠性高； 某一級逆變橋出現(xiàn)故障時某一級逆變橋出現(xiàn)故障時, , 就被旁路掉就被旁路掉, , 剩余模塊可不間斷供電剩余模塊可不間斷供電, , 以盡量以盡量減少生產(chǎn)損失減少生產(chǎn)損失； 直流側(cè)采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題；直流側(cè)采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題； 控制方法相對簡單。因每一級結構的相同性控制方法相對簡單。因每一級結構的相同性, , 可分別對每一級進行可分別對每一級進行

9、PWMPWM控制控制, , 然后進行波形重組。然后進行波形重組。l 缺點：缺點： 需要需要輸入輸入變壓器變壓器 因每個因每個H H橋都采用單相控制，直流電容在任一時刻都有交流電流通過，橋都采用單相控制，直流電容在任一時刻都有交流電流通過，因此需要用較大容量的直流電容因此需要用較大容量的直流電容 電路復雜，功率元件多電路復雜，功率元件多改進的單元串聯(lián)多電平型改進的單元串聯(lián)多電平型u 原理原理當獨立的直流電源的電壓值相等，取當獨立的直流電源的電壓值相等，取E E時，由時，由mm個單相全橋逆變單元組成的單個單相全橋逆變單元組成的單相級聯(lián)型多電平電路，輸出的電平數(shù)為相級聯(lián)型多電平電路，輸出的電平數(shù)為2

10、m+12m+1。若將級聯(lián)多電平變換器中各獨。若將級聯(lián)多電平變換器中各獨立的直流電源的電壓值分別取立的直流電源的電壓值分別取E. 2E, E. 2E, 4E.2mE4E.2mE，則其輸出的電平數(shù)大幅度，則其輸出的電平數(shù)大幅度地增加到地增加到2m+2-12m+2-1，這就是混合級聯(lián)多，這就是混合級聯(lián)多電平變換器的思想，從更嚴格的意義卜電平變換器的思想，從更嚴格的意義卜講，混合級聯(lián)多電平轉(zhuǎn)換器不是一種電講，混合級聯(lián)多電平轉(zhuǎn)換器不是一種電路拓撲結構，說是一種構成策略更為合路拓撲結構，說是一種構成策略更為合適。適。u特點：特點： 可以在不增加功率元件數(shù)目的情況下，可以在不增加功率元件數(shù)目的情況下，提高輸

11、出電平數(shù)和輸出波形的質(zhì)量提高輸出電平數(shù)和輸出波形的質(zhì)量。 控制技術發(fā)展現(xiàn)狀控制技術發(fā)展現(xiàn)狀 恒定控制恒定控制 轉(zhuǎn)差率控制轉(zhuǎn)差率控制 矢量控制矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況國外最具代表性的公司和技術有國外最具代表性的公司和技術有：公司的三電平方式；公司的三電平方式；公司的單元串聯(lián)多電平方式；公司的單元串聯(lián)多電平方式；（）公司的電流型和電流型；（）公司的電流型和電流型；公司的三電平方式；公司的三電平方式；除此之外，通用電氣，三菱，東芝，富士和日立等公司也有類似產(chǎn)除此之外，通用電氣，三菱，東芝，富士和日立等公司也有類似產(chǎn)品推出品推出在控制方式上，國外公司已經(jīng)普遍采用先

12、進的矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式在控制方式上，國外公司已經(jīng)普遍采用先進的矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制方式在高端領域應用上，占有絕對性的優(yōu)勢在高端領域應用上，占有絕對性的優(yōu)勢國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況1. ABB(ACS1000)2. SIEMENS(SIMOVERT-MV)國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況3. GE-TOSHIBA(DURA-BUILT5)4. AB(POWER FLUX-7000)國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況l國內(nèi)生產(chǎn)廠家概況：國內(nèi)生產(chǎn)廠家概況： 民營公司民營公司19981998年開始涉足電力電子和高壓變頻領域年開始涉足電力電子和高壓變頻領域, ,

13、主要進行采用主要進行采用IGBTIGBT的的H H橋橋串聯(lián)型中壓變頻器的研制。串聯(lián)型中壓變頻器的研制。 l以九洲為例，其產(chǎn)品形成一定規(guī)模以九洲為例，其產(chǎn)品形成一定規(guī)模主要特點主要特點: : 控制比較簡單控制比較簡單, ,開環(huán)壓頻比控制開環(huán)壓頻比控制 成本控制較好成本控制較好, ,價格較低價格較低 操作界面較好操作界面較好, ,中文操作中文操作, ,遠程操作遠程操作 可實現(xiàn)閉環(huán)等功能可實現(xiàn)閉環(huán)等功能國內(nèi)外廠商概況國內(nèi)外廠商概況l冶金自動化研究院、天傳所、天水所冶金自動化研究院、天傳所、天水所 專業(yè)國家研究院所，從八十年代就開始開發(fā)低壓和高壓變頻器，有用于軋專業(yè)國家研究院所，從八十年代就開始開發(fā)低

14、壓和高壓變頻器，有用于軋鋼機的高性能晶閘管交交變頻產(chǎn)品，有繞線電機交交變頻雙饋調(diào)速產(chǎn)品，有晶鋼機的高性能晶閘管交交變頻產(chǎn)品，有繞線電機交交變頻雙饋調(diào)速產(chǎn)品，有晶閘管交直交電流型產(chǎn)品，有電流型高低高變頻產(chǎn)品，有電流型直接高壓變頻產(chǎn)閘管交直交電流型產(chǎn)品，有電流型高低高變頻產(chǎn)品，有電流型直接高壓變頻產(chǎn)品，目前也在進行采用品，目前也在進行采用IGBTIGBT的的 H H橋高壓變頻器的研制，和采用橋高壓變頻器的研制，和采用IGCTIGCT的二極管的二極管鉗位式三電平變頻器的研制。鉗位式三電平變頻器的研制。l凱奇、先行、天崇凱奇、先行、天崇是國內(nèi)最早采用帶分離直流電源的串聯(lián)型高壓變頻技術，從是國內(nèi)最早采用

15、帶分離直流電源的串聯(lián)型高壓變頻技術，從9595年起開始研年起開始研制采用制采用IGBTIGBT的的 H H橋高壓變頻器樣機，并生產(chǎn)和銷售了十多套橋高壓變頻器樣機，并生產(chǎn)和銷售了十多套00500kW00500kW變變頻器但由于種種原因，目前已不生產(chǎn)。頻器但由于種種原因，目前已不生產(chǎn)。高壓變頻技術的發(fā)展趨勢高壓變頻技術的發(fā)展趨勢u新型的主電路拓撲新型的主電路拓撲u高壓，大電流功率器技術的發(fā)展高壓，大電流功率器技術的發(fā)展u控制策略和控制方法方面的進展控制策略和控制方法方面的進展u電壓，電流的檢測與檢測信號的傳輸電壓，電流的檢測與檢測信號的傳輸哈工大與九洲公司合作的哈工大與九洲公司合作的情況介紹情況介紹 v 新型高效的合作模式新型高效的合作模式 雙方采用共同研究開發(fā)的模式，雙方的研發(fā)人員緊密合雙方采用共同研究開發(fā)的模式，雙方的研發(fā)人員緊密合作，不同于以往高校承擔研發(fā)項目后獨立進行研究的傳作，不同于以往高校承擔研發(fā)項目后獨立進行研究的傳統(tǒng)模式。統(tǒng)模式。新型合作模式的優(yōu)勢新型合作模式的優(yōu)勢 更有利于充分發(fā)揮哈