煤炭资源在我国工业一次能源消费结构中的比重高达五分之三，以煤炭为主要能源的火力发电更是占据了我国发电产业的主导地位。2015年全国煤炭消耗量超过37亿吨，预计到2050年煤炭消耗量还将翻一番，达到65亿吨以上[1][2]。大量的煤炭消费一方面进一步恶化了日益严峻的能源形势，另一方面，大量排放的污染物也给生态环境和国民健康带来极大的损害。因此，节能降耗刻不容缓。电力拖动系统消耗了我国总发电量的65%以上，而其中超过70%的电力拖动系统用于风机、泵类等负载的调速，其消耗电能占全国总发电量的一半左右。有关数据表明，在电力拖动系统中，变频调速技术的节电率高达20%~50%[3]。由此可见，使用变频调速技术节能降耗将带来巨大的经济和社会效益。
在中高压大功率交流传动领域，单元串联型变频器占据着重要的地位。截至2014年底，利德华福公司已有超过10000余套单元串联型变频器投入运行，为节能减排做出了突出贡献[4]。合康亿盛公司也售出超过8000台高压级联多电平变频器，取得了显著的节能回报[5]。然而，单元串联型变频器整流级需要通过接线复杂的工频移相变压器与中高压电网相连，导致整个设备体积庞大、笨重、造价昂贵。不仅如此，工频移相变压器使用了大量的铜，作为一个有色金属资源稀缺国，我国也迫切需要减少铜资源的过度消耗。
针对上述问题，有学者提出无工频变压器级联式变频器，其整流级取消了前级的移相变压器，采用级联全控型H桥电路结构直接与中高压电网相连，从而在使用低压器件完成中高压整流的同时提高了系统的功率密度[6]。近年来，该技术在全球范围内迅速发展，庞巴迪公司[7]、北卡罗来纳州立大学[8]、ABB公司[9]均已研制出基于级联全控型H桥整流电路的变频器[18]。其主电路拓扑图如图1所示，其整流级采用由全控型开关器件构成的全桥整流功率模块级联而成。目前，针对级联全控型H桥变频器的学术研究集中在其整流级各功率单元直流侧电容电压的均衡控制, 变频器三级协调控制策略，以及不平衡系统下变频器的运行与控制等方面[9]-[14]。
需要注意的是，上述级联全控型H桥变频器的整流级、高频隔离传输级和逆变级全部使用全控型半导体开关器件（IGBT、Power MOSFET），使得变频器具备了能量双向传输的能力。但与此同时，大量的全控型开关器件需要配套驱动和保护电路，带来复杂的软、硬件设计，不可避免地降低了系统的可靠性，增加了生产成本。另外，全控型开关器件工作在较高的开关频率下会产生较大的开关损耗，从而降低系统的效率。特别是当电网电压较高，需要级联的功率单元个数较多时，过多的全控型开关器件带来的弊端会更加明显。实际上，在相当多的实际工业应用场合，能量并不需要在两个方向传输。因此该类变换器在不需要能量回馈的风机、泵类电动机节能调速领域的应用并无明显优势。而这也正是制约其实用化和产品化的决定性因素之一。因此，在全面践行“中国制造2025”行动纲领的大背景下，今后一段时期的变频器产业布局应当充分注意到，开发新一代适用于能量单向传输场合的中高压级联式变频器对于构建绿色发展、高端制造、创新驱动的民族工业体系所具有的重要意义。
基于作者所在课题组之前的研究成果，本文详细介绍了三种新型高频隔离级联式中高压变频器的拓扑结构。通过减少整流级中全控型开关器件的数量，这三种新型变频器均可简化系统复杂度、提高效率并降低成本[16]-[18]。由于新型高频隔离级联式变频器主要改进了整流级的电路结构，而高频隔离直流传输级和逆变级使用的是国内外已有详细报道的成熟技术，因此本文主要分析新型级联变频器整流级的拓扑结构和基本原理。特别地，本文着重从理论上对级联二极管H桥变频器的功率因数特性和相应控制策略进行了讨论，并通过仿真和实验验证了所述理论的正确性。
2 新一代高频隔离级联式变频器的三种电路拓扑
2.1 级联二极管H桥变频器
图2所示是单相级联二极管H桥变频器主电路。整个变频器系统由级联二极管H桥整流级、高频隔离传输级和级联H桥逆变级依次串联构成。与目前主流的级联全控型H桥整流器不同，级联二极管H桥整流级的每个功率单元由一个二极管全桥整流电路和Boost PFC电路串联组成。与图1所示电路相比较，图2所示电路少用了几乎一半全控型开关器件。由于二极管的单向导电性，级联二极管H桥整流器可应用于不需要能量双向传输的场合，如拖动中高压风机、泵类的交流调速领域。
2.2 级联无桥变频器
图3所示是级联无桥变频器主电路拓扑。与级联二极管H桥变频器类似，级联无桥变频器通过将基于无桥结构的整流单元级联起来构成整流级从而减少全控型开关器件的使用。由于无桥电路的工作特性，级联无桥变频器同样适用于能量单向传输的交流拖动场合。
值得注意的是，与级联二极管H桥变频器整流级相比，级联无桥变频器整流级使用的全控型开关器件的数量多一倍，但同时，任意时刻级联无桥变频器整流级导通的半导体开关器件只有级联二极管H桥变频器整流级的2/3。因此，这两种新型级联变频器的性能各有千秋，具体工业应用中可根据实际工况和具体性能指标要求选择相对更合适的拓扑结构。
2.3 混合级联型H桥变频器
第三种新型级联式中高压变频器的电路结构是将级联全控型H桥变频器和级联二极管H桥变频器各自的特点相结合而衍生出的新拓扑。如图4所示，混合级联型H桥变频器的整流级将两种不同的功率单元级联起来。其中一部分功率单元是全控型全桥整流电路，另一部分为二极管全桥整流+Boost PFC电路。混合级联型H桥整流器的优点将在下文讨论。同样地，受限于二极管整流电路，混合级联型H桥整流器也只适合应用于能量单方向传输的工业场合。
综合来看，所述的三种新型高频隔离级联式变频器均采用了新型的级联结构构成其整流级。与主流的级联全控型H桥变频器的整流级相比，新型级联式变频器的整流级同样取消了工频变压器，并通过级联多电平结构实现变频器与中高压电网的直接连接；所不同的是，新型级联式变频器大大减少了全控型开关器件的用量（如级联二极管H桥整流级和级联无桥整流级分别减少了3/4和1/2的全控型器件数量），从而减少了系统的导通损耗、降低了硬件复杂度和生产成本、提升了系统可靠性。特别需要提及的是，随着级联功率单元的增多以及从单相应用场合拓展到三相应用场合，新型高频隔离级联式变频器的优势会更加明显。
下文将以级联二极管H桥变频器的整流级为例对整流级的基本特性和控制方式进行讨论和分析。
3 级联二极管H桥变频器整流级功率因数特性和控制策略
3.1 级联二极管H桥整流级功率因数特性分析
图5所示为级联二极管H桥变频器整流级的等效电路图。这时，每一个整流桥二极管和开关管所承受的电压就是每一个模块输出电容电压，因此，只要使所有整流模块输出电压达到均衡，二极管以及开关管就会平均的承受电压。由于稳态工作情况下整流级各功率单元输出直流电压控制为稳定的直流电压，同时高频隔离传输级输入电流控制为直流电流，因此对于整流级而言，后级电路可以等效为阻性负载。
图5 级联二极管H桥变频器整流级等效电路图
图6 单位功率因数下级联二极管H桥整流器交流侧相量图
图6所示为单位功率因数下级联二极管H桥变频器整流级交流侧相量图。此时，输入电流IS与电源电压US同相位，级联二极管 H 桥输入端交流电压UCON滞后于IS。按此相位关系，在US过零点到UCON过零点的这段时间内，IS和UCON方向相反。但受制于二极管的不可控性，这种工作状态不存在。因此单位功率因数条件下会产生较大的输入电流过零点畸变。如果合理控制IS，使IS与UCON同相位，则可以避免输入电流产生过零点畸变。此时IS滞后于US，滞后角随负载而变化，级联二极管H桥整流器工作于滞后的功率因数，交流侧相量图如图7所示。
图7 滞后功率因数下级联二极管H桥整流器交流侧相量图
相似地，对于级联无桥变频器的整流级而言，其交流侧电压和输入电流也必须时刻保持同相位，因此，若强迫运行在单位功率因数条件下，也势必引入较大的输入电流过零点畸变。
与此不同的是，混合级联型H桥变频器整流级中的全控H桥功率单元可以提供滞后于输入电流的交流测电压，因此，混合级联型H桥变频器工作在单位功率因数条件下工作时不会产生输入电流的过零点畸变。实际上，由于整流级中全控型H桥模块的作用，混合级联型H桥整流器可以以-90°~+90°的功率因数角运行，这样就能够控制整流器向电网注入一定的无功功率，从而使得变频器还可以起到补偿网侧无功功率的作用。图8、图9分别为混合级联H桥整流级运行于超前和滞后功率因数下的交流侧相量图。其中UAB为级联二极管H桥功率单元，其始终与输入电流IS同相位，避免了输入电流的过零点畸变，UBC为级联全控H桥交流测电压，得益于其方向的灵活性，混合级联型H桥整流级可以运行于超前或滞后的功率因数条件下。
图8 超前功率因数下级联二极管H桥变频器整流级相量图
图9 超前功率因数下级联二极管H桥变频器整流级相量图
与上述单相级联二极管变频器整流级不同，对于三相三线制级联二极管变频器整流级来说，在某一相级联功率单元交流侧电压过零时，可以通过控制另外两相级联模块交流输出电压，使电源中点和负载中点间产生与该相输入电流极性相反的零序电压。因此，通过合适的控制方式，可以使变频器整流级运行在单位功率因数条件下，可以使各相级联功率单元交流侧电压时刻保持与该相输入电流、网侧电压同相位，而不会导致较大的输入电流过零点畸变。
3.2 级联二极管H桥整流级新型控制策略
传统级联全控型H桥变频器中，控制器能够随着负载的变化调整输入电流的相位，使其相位始终与整流器输入电压相位保持相同。同时通过对开关器件的导通占空比的调节，使级联模块的输出直流电压相等且等于给定值。其控制结构简图如图10所示。图中u2，u3···un为各功率单元直流输出电压，un*为直流输出电压指令值，d1是第一个功率单元占空比。
图10 传统控制算法结构图
若直接采用传统级联全控型H桥控制策略，级联二极管H桥整流级输入电流跟随输入电压的变化而变化，如前文所述，在调节过程中，势必使输入电流产生一定程度的过零点畸变。
针对二极管H桥级联多电平变换器可以采用一种基于滞后功率因数的直流电压平衡和电源高功率因数的控制方案。二极管H桥级联变换器n个功率单元级联的控制框图，如图11所示。
图11 新控制算法结构图
各级联单元调制比配置方法如下：n个级联单元的输出实际电压之和与给定电压之和相比较，经过电压PI调节器，再乘以加入移相滞后角的输入电压us，之后将得到的电流给定值与实际电流值相比较，经过电流PI调节器，就得到调节各级联模块输出电压总和的总占空比d；把n-1个级联单元输出的实际电压u2，u3···un与指令直流电压ui（i=2，3···n）相比较，经过各自独立的PI调节器后再乘以移相后的输入电压相位us/E（E为输入电压的峰值），就得到了n-1个级联功率单元的调制比d2，d3···dn；而剩下一个级联功率单元的调制比d1则通过总调制比与n-1个级联功率单元的调制比作差得到。其中电源电压的移相角度，即滞后角度由下式给出：
采用基于滞后功率因数的控制算法将保证级联二极管H桥整流级的输入电流和交流电压同相位，而不是与电源电压同相位，如此即避免了输入电流畸变。由于实际应用中电感两侧电压降很小，之后角也很小，因此仍然可以取得令人满意的功率因数。实际上，工程技术人员可以根据（1）式及其他性能指标选择电感值来取得满意的功率因数[19]。
4 总结与展望
开发新一代中高压变频器是提高电力传动系统效率、节约电能、保护环境的重要手段，也是在变频器产业布局中贯彻落实“2025中国制造”行动纲领的关键一环，具有产生巨大经济和社会效益的潜力。
本文依托课题组前期科研成果，介绍了三种新型高频隔离级联式中高压变频器的电路拓扑。通过对目前主流的级联全控型H桥变频器整流级进行针对性改造，大幅减少了其中全控型开关器件的数量，带来变频系统硬件复杂度的简化、效率与可靠性的提升以及生产成本的降低，使其在能量单向传输的电力拖动领域具有明显的性能优势，同时具备理论上的创新性和工程上的可行性。文中给出的三种新拓扑有着各自的特点和优势，在工程实践中可以根据具体的工况条件和性能指标要求进行灵活地选择。进一步地，本文着眼于级联二极管H桥变频器的功率因数特性，借助相量图对其进行了详细的理论分析，并据此论述了基于滞后功率因数的整流级控制策略。同时，文章还对级联无桥变频器、混合级联型H桥变频器及三相级联二极管H桥变频器的功率因数特性进行了简要的概括。
本文上述基于三种新型整流拓扑的新一代高频隔离级联式中高压变频器仍然处于基础理论研究与原理性实验验证阶段。真正达到实用还需要在以下几方面研究做出更多的努力：
（1）以进一步提高变频器的功率密度和效率，降低损耗和成本为目标，从理论上给出此类变频器的优化构造方式，优化控制策略和优化电路设计方法。
（2）在保证按照规定功率因数完成输入整流，按照变频调速要求完成输出逆变的基础上，找出三个功率级间的相互影响关系，从理论上给出最优协调控制策略,使得变频器各项性能指标最优。
（3）目前可用于高频隔离传输级的单向DC-DC变换器技术已经较为成熟，但是适用于中高压大功率传动领域的数十到上百千瓦功率等级的单体DC-DC变换器的高效率和高功率密度实现还缺乏系统研究。具体而言，可以从对传输级电路拓扑的构造方式，电路优化设计方法，磁路优化设计方法（包括磁集成方法），磁性材料选择，参数的优化选择，系统建模和控制器设计等多方面入手，进行理论研究和工程试验。
（4）探索各种非理想工况下（三相电压不对称、电网电压跌落、严重谐波等）新型级联式中高压变频器的控制策略，增强其抗扰性能和生存能力。
（5）故障诊断与容错技术。及时、准确地检测并定位变频器故障，尽可能提升设备运行的安全性和稳定性。
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