0.5 永磁同步电机多电平控制技术发展状况

近些年来，随着我国国民经济的迅速发展，工业、电力、交通、新能源及其他一些相关领域对大容量电力电子变换设备的需求更加迫切，这些设备的功率目前已达到兆瓦级，而可控交流传动在兆瓦级范围内常常会和中压电网联系在一起。

今天，很难将某个独立的电力半导体开关器件和中压电网（2.3kV、3.3kV、6kV或10kV）直接联在一起，正是如此，更高电压等级的多电平逆变器引起国内外同行的广泛关注。目前，交流传动已经成为电气传动领域的主流，低压中小容量的变频调速技术在国内已得到广泛的应用，而对于中高压大功率领域的应用研究尚处于起步阶段，主要依靠进口一些国外著名电气公司的变频传动装置，这些产品在国内的价格十分昂贵，而且核心技术仍为国外公司所掌握，所以我们很有必要研究属于自主知识产权的中高压大功率变频装置。多电平逆变器的电路拓扑结构避免了功率开关器件直接串联引起的动态均压问题，同时降低了电压变化率，减少了共模干扰，相应提高了电机效率，成为中大功率交流传动领域研究的重点，许多国际著名电气公司都开发了以三电平逆变器为核心的交流传动系统，容量可达数十兆瓦，成功应用于钢铁轧机、矿井提升机、风机、水泵、压缩机以及电力机车、城市轨道交通等领域。我国正处于国民经济高速发展的大好时机，电力电子与电力传动学科的发展也不例外，各高校和科研院所都在积极研发新一代的电气传动设备，开发利用新能源。显然，开发出具有自主知识产权的大功率多电平逆变器交流传动系统，不仅具有显著的经济效益而且具有深远的社会效益。

0.5.1 用于高压大容量交流调速的三电平逆变器典型拓扑

图0-2给出了一个典型的高压大容量高性能交流调速系统原理图，这是一个采用二极管钳位型三电平逆变器的方案。大容量逆变器在应用中的一个很重要问题是大功率传动并且直流环节的电容滤波会给电网注入谐波电流，这将增加输入电流的畸变。图0-2所示是一种输入整流器的12脉冲配置，这是一个标准的降低输入电流谐波的解决方案。一些制造厂商还提供18脉冲和24脉冲整流器以提高输入电流的品质。

图0-2 具有12脉冲整流器的二极管钳位型三电平逆变器

在三电平二极管钳位型逆变器的输入侧采用三电平PWM整流器，国外文献中常称为有源前端（Active Front End,AFE），对于大功率回馈型负载已成为一种十分流行的方案。如图0-3所示，这种方案允许全部电机能量的回馈，降低了输入谐波且提高了功率因数。这种带有三电平PWM整流器的双PWM三电平逆变器传动系统，在轧钢机、大功率的下行运输机以及其他可再生回馈的大功率负载场合非常适合。

图0-3 能量可双向流动的双PWM三电平逆变器

0.5.2 高性能多电平交流调速技术

如前所述，多电平变换技术在过去的20年里获得了迅猛发展，在研究领域中新型拓扑结构、控制方法也层出不穷，但真正获得实际应用的还是三种最基本的拓扑结构——二极管钳位型、电容钳位型、H桥串联型多电平；控制方法也大多是基于谐波优化、载波调制或空间电压矢量调制的开环方案。可以预见，在21世纪，多电平技术的主要研究重点会逐步从拓扑方面转移到工业应用方面，尤其是在高压大容量高性能交流调速系统方面，已经逐步成为国际研究和应用的热点。

长期以来，高压大容量交流调速技术主要还是集中在谐波优化和开环VVVF控制，其调速范围窄，低速性能差，通常只用于风机泵类等调速性能要求不高的负载，主要用途是节能和软起软停。制约高压大功率系统高性能化的主要因素有：

（1）器件的工艺水平受限，高压大容量开关器件通常开关频率不高，通常小于1kHz。在低开关频率下，由于离散化误差的影响、控制上的不及时等因素，控制精度必然下降，出现转矩脉动大、调速精度差等现象。

（2）高性能交流调速技术是在两电平逆变器上发展起来的，而高压大容量逆变器采用的是多电平技术，电路拓扑的不同往往造成技术移植上的困难，而且技术上的移植也需要有一个逐渐成熟的过程。

（3）高压大功率还会带来很多新问题，如和高、电磁干扰（EMI）、电磁兼容（EMC）、轴电压、轴电流和长线传输等问题，关于这些问题的研究都处于起步阶段，还没有成熟的解决办法。这对系统的稳定性、可靠性具有极大的影响。

在多电平高性能调速系统中，由于矢量控制技术的传统优势，矢量控制总是首先获得应用；而直接转矩控制技术虽然在近十年内有了很大的发展，但绝大多数的研究工作都是集中在普通两电平电路上，在多电平电路上的研究也只是处于起步阶段。无论两电平还是三电平逆变器的直接转矩控制，真正能够实现产品化的只有ABB公司一家。

作为一种高压大容量的高性能交流电机调速方式，一方面技术难度高不容易实现，另一方面可能出于技术保密的考虑，基于三电平逆变器DTC控制系统的应用研究在国际上相关文献报道还不多见。国内从事这方面的研究较早的主要有清华大学、同济大学和上海大学[46-50]。在多电平电路上实现直接转矩之所以比较困难，除了前面三点原因，还和直接转矩控制本身的技术特点有关。直接转矩控制的实现基础为优化矢量表，电平数越多，矢量数将急剧增加，相应地优化矢量表复杂程度也急剧增加。同时还要考虑和具体拓扑结构相关的问题，如中点钳位型逆变器的电容电压平衡问题、H桥串联各桥的功率平衡问题等。出于在优化矢量的形成方面缺乏统一的技术基础，各种结构间的技术可移植性差，削弱了研究工作的延续性，从而直接阻碍了直接转矩控制在多电平电路上的应用。从实际应用的角度看，最具有实际应用价值的多电平电路为三电平逆变器，此电路拓扑相对简单，所用器件相对较少，可靠性高。而且这种电路结构的空间电压矢量数目相对较少，所生成的优化电压矢量表也不太复杂，控制上相对易于实现，因此对此电路拓扑进行直接转矩控制的深入研究具有实际意义。