多电平变换器的研究背景与优化方向

电力电子技术是一门专门研究电能变换的理论、方法及应用的学科，是集电子技术、控制理论、计算机技术、材料科学、电磁兼容技术、传感器技术、热传导技术于一体的新兴交叉学科，自从其产生到现在的半个多世纪，由于它对国民经济的显著作用，得到了国内外学者的普遍重视，发展非常迅猛，以至于无论是在功率器件、电路拓扑结构、控制方法和装置性能等方面都比初期有很大进步，而且应用日益广泛，几乎涉及从发电、储电、输电到用电的所有领域^[1，2]。因此有专家学者将其表述为：电力电子是现代能源变换的核心部件和关键技术。

目前，我国现有的电力系统容量虽已有了很大的提高，但电力紧张的现象依然严峻。据统计，2011年每天全国用电量为125亿kW·h，全国用电缺口3000万kW，而提高各类用电设备的生产效率和用电效率是解决问题的有效途径之一。

变频调速传动技术的发展和应用为实现节约电能、提高产品质量提供了一种主要手段。现在，应用于常规电压和中小功率（功率<200kW）的风机、水泵的变频调速技术已成熟，并取得了很好的节能效果，这类变频器已实现了产业化。而200kW以上的中大功率传动系统约占市场70%以上，节电潜力巨大^[3，4]。通常200kW以下的交流电动机为低压380V，200kW以上的交流电动机电压等级多为高压（6kV或10kV）。近年来，大功率电力电子变流技术发展迅速，在交流电动机驱动领域，大功率高压变频技术得到了普遍的应用。高压电动机利用变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，既可提高产品的产量和质量，又可大幅度地节约能源和降低成本。

在电力工业领域，随着国民经济的不断发展，对输送电能的需要增长越来越快，特别是结合国内的“西电东送工程”和“三峡工程”，高压直流输电（High Voltage Direct Current Transmission，HVDC）系统和柔性交流传输系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）已成为当前在电力系统领域受到极大关注的工程项目和热门课题^[5]。静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）、统一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）等大功率电力电子装置是这两种系统中的核心部件。大功率电力电子装置在有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）、大功率逆变电源中也有广泛应用^[6]。这些装置均具有功率大、控制要求高、系统复杂等特点。

在传统两电平变换器的高压大容量应用中，除了少数低速场合采用交-交变频方式外，通常采用交-直-交变频方式。在该方式中，或是将多个低压小容量变换器通过变压器采用多重化技术获得高压大功率，或是在交流输入侧和交流输出侧分别采用变压器进行降压和升压，中间环节仍然采用低压变换器^[7，8]。显然，上述两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且第二种方法还会出现中间环节电流过大、系统效率下降、可靠性降低，以及低频时能量传输困难等诸多问题。为克服这些缺点，人们希望采用直接的高压变换方式，这就对变换器所用器件提出了更高的要求，特别是需要器件承受很高的电压应力。以往通常的做法是采用多个低耐压值的开关器件串联，该方法虽然解决了单个器件承受电压应力高的问题，也能满足系统的容量要求，可串联在一起的各个器件被当做单个器件使用时，需要考虑动态均压及静态均压，要求控制完全相同，但因各器件本身的特性及参数不一致，从而导致各器件的电压不均衡，严重时会造成器件损坏甚至控制失败。相比之下，多电平变换器及其相关技术，具有诸多显著优点，被工业界认为在高压大容量领域中具有广阔的应用前景^[9]。(www.xing528.com)

相对于传统的大容量变换器结构，多电平变换器的主要优势在于^[10]：①在没有增加开关器件承受电压的基础上增加了电压电平，这对于大功率设备是非常必要的；②多电平变换器的多阶梯输出波形减少了变换器输出电压的变化率du/dt，而较高的du/dt会对电机绕组产生较大的冲击力，需要加强的电机绝缘；③在相同的开关频率下，多电平变换器的输出波形相对于传统两电平变换器而言由于有更多的电平数，使输出波形的谐波含量减少。

近年来，多电平变换器逐渐成为大功率应用场合首选的电力电子变换装置，并得到了学术界和工业界越来越多的关注。世界著名的电气传动公司，如西门子、ABB、Converteam、阿尔斯通等公司，已经开发出比较成熟的符合相应标准的商业化多电平产品。我国对多电平变换器的研究工作也在不断深入，尤其是在多电平拓扑结构的研究上取得了一定的成果。国内各大企业也正逐步把眼光投向多电平变换器的开发和生产中。目前，在世界范围内，多电平变换器已成功地在工业领域发挥着重要的作用，如压缩机、挤压机、水泵、风机、磨碎机、辊轧机、输送机、压碎机、高炉鼓风机、燃气轮机起动器、搅拌器、矿井提升机、无功功率补偿装置、船舶推进装置、高压直流输电系统、抽水蓄能装置、风力发电系统和电气化铁路牵引装置等^[11-20]。针对上述应用领域对多电平变换器的需求，越来越多的公司已开始提供相应的商业化产品^[21-36]。

就国内而言，据调查预测，我国变频器市场总的潜在市场应为1200～1800亿元，目前低压变频器占市场份额的80%左右，中高压变频器约占市场份额的20%。远期中高压变频器市场份额将不断提升至40%左右。目前国内变频器市场销售大约为每年500～700万kW，国外品牌占据了绝大部分市场，国产变频器所占市场份额不超过30%^[37]。多电平变换器技术在国内的机遇和挑战并存，应加大人力、物力的投入，加强这方面的研究工作，争取在这个广大的市场中有所作为。