一,、二極管箝位三電平技術(shù)

二極管箝位三電平拓撲由日本學(xué)者Nabae. A 等人在1980 年提出，經(jīng)過近30年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于,，各個開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關(guān)管,，組成較高電壓等級的變流器,。這個技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于中壓大功率交流傳動系統(tǒng)中。采用6500V等級的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器,，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4.2kV電動機傳動系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一般應(yīng)用于電壓較高,、功率較大的系統(tǒng)中,，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實決定的。但是我們應(yīng)該看到二極管箝位三電平拓撲本身固有的一些優(yōu)勢,。

（1） 用電壓等級較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的變流器,，隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上已經(jīng)有6500V的IGBT出售,，但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高,，最高開關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠大于600V的IGBT,。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器,，同時前者可以達到的開關(guān)頻率也高于后者。

（2） 能夠輸出三種電平,。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓,、負母線電壓以及零電壓（簡稱P、N,、O）,一般情況下輸出電壓在P-O,、O-N之間跳變,，特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變,。也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半,，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流,，為了抑制紋波電流,，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波電流損耗,。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度,，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機的沖擊以及較大的軸電流,，嚴重影響著電機的壽命,。另外，較高的電壓跳變幅度也會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾,，對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生也重危害,。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題,。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,，三電平技術(shù)被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領(lǐng)域,，引入到400V的低壓小功率應(yīng)用之中,，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于400V系統(tǒng)應(yīng)用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢,。應(yīng)用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下：

（1）2008年日本安川電機推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器,，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應(yīng)用中取得了巨大成功,。

（2）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱BOOST進行最大功率點跟蹤,，逆變器采用二極管箝位三電平拓撲,，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊,，各項指標均優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品,。

（3）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司推出了業(yè)界第一個三電平有源電力濾波器HESINE系列產(chǎn)品，并取得了巨大的成功,。本文將對此系列產(chǎn)品做一個較為詳細的說明,。

二、Hesine系列有源電力濾波器

將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域,，國內(nèi)外很多文獻都有涉及,，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此都進行了比較深入的研究,，也提出了很多新的算法。但是,，三電平有源電力濾波器始終沒有從實驗室走向市場,。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟,，控制算法過于復(fù)雜,，應(yīng)用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視,，尚未認識到該技術(shù)的優(yōu)勢,。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品,。

三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：

（1） 低紋波電流,，高電流響應(yīng)速度。

紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個指標,。作為有源電力濾波器,，其基本原理是檢測負載諧波，注入反相諧波,，以諧波的相互抵消達到濾波的目的,。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的,。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制,，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率,、直流母線電壓,、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關(guān),。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高,，紋波電流越大,；輸出電感越大，紋波電流越小,。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制,。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz,，補償50次諧波計算,，最高諧波頻率將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應(yīng)速度有很高的要求,。電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān),。直流母線電壓越高,，電流響應(yīng)越快；輸出電感越大,，電流響應(yīng)越慢,。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好,，這是一對矛盾,。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關(guān)頻率?，F(xiàn)在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達到20kHz,。但是，開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗,，有源電力濾波器的單機容量會受到限制,，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率,。然而,，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正,、負,、零三種電壓，在計算紋波電流時,，只需按直流母線電壓的一半計算,。由此，在相同開關(guān)頻率,、相同直流母線電壓,、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半,，同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低,。在計算電流響應(yīng)速度時，起作用的將是全部直流母線電壓,，而輸出電感的減半,，將加快電流的響應(yīng)速度，增強濾波效果,，提高單機容量,。

（2） 提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng),。

通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V,，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高,，例如石油鉆機傳動采用的是600V,，礦山用電可能是690V或1140V,，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上,。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求,，是一個問題。通常為了提高電流響應(yīng)速度,、保證補償效果,，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍,。對于380V應(yīng)用,，直流母線電壓一般在700V～750V，而對于600V,，直流母線電壓需要達到1200V,。很多企業(yè)的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?00V,。通過諧波的變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的,，價格比較高，體積也比較大,，變壓的損耗也會比較大,。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng),，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上,，同時保證較好濾波效果和單機容量。

正是基于上述優(yōu)點,，德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產(chǎn)品,。