基于IGCT的高壓三電平變頻器若干關鍵技術問題思考
1 引言
近年來我國變頻調速裝置的研發和生產能力在不斷的提高應用水平也有長足的進步目前正在向高性能和高壓大容量方向發展研制中高壓變頻器一直是熱點之一但由于其技術門坎高資金投入大研發周期長也一直是該研究領域的難點之一目前所采用的高壓大容量變頻器拓撲結構主要有
● 電容飛跨式
● 單元級聯式即所謂的robicon結構;
● 二極管中點箝位（npc）式國際上以abb和siemens的產品為代表
相比之下由于二極管箝位式結構需要器件比較少結構緊湊控制算法簡潔易于實現系統四象限運行而可以作為高端變頻器使用等特點而被日益重視但是由于該結構直接采用高壓開關器件（如gtoigct或高壓igbt等）作為開關工作單元高壓特征明顯器件承荷余量減小對系統參數的配置要求提高特別原來在中小容量和低壓系統中不突出的能量瞬態過程和分布參數影響變得突出致使研制難度增加風險增大進而成為高壓大容量電力電子變換器的難點問題之一
我國對高壓3kv以上大容量1000kw以上的三電平npc變頻調速系統的研制仍處于初步階段為加速我國自己的高端中高壓變頻調速裝置的發展2001年10月清華大學電機系與國電南京自動化股份有限公司聯合成立了清華南自電力電子應用技術聯合研究所專門針對高壓大容量三電平npc變頻調速系統進行了研制2004年研制出基于igct的二極管箝位式6kv/550～1250kw三電平變頻器樣機2005年實現了現場長期無故障滿載運行2006年通過了國家級技術檢測部門的全部型式試驗和部委級的技術和產品鑒定目前已全面走向市場
回顧五年多的研發歷程走過了一條從理論到實踐再從實踐到理論的探索過程尤其是對高壓大容量電力電子變換裝置中的關鍵問題理解有了進一步認識淺膚之識與大家一起分享
2 基于igct三電平npc變頻器主要結構特點
由于高壓大容量變頻器的電壓高電流大相應的電壓電流變化率也大回路分布參數影響大使得該類變頻器在開關器件的選擇器件之間的連線吸收電路元件參數的匹配波形調制以及濾波處理等方面與低壓中小容量變頻器有很大的區別因此結構上也有很大的不同本文所研制的變頻器結構原理圖如圖1所示
圖1 基于igct的二極管箝位式6kv/550～1250kw三電平變頻調速系統
它在結構上有以下幾個主要特點
（1）采用igct作為主開關器件且采用壓裝結構
采用igct作為主開關器件且采用壓裝結構如圖2所示其中分立散熱器一方面為igct散熱和壓裝結構的支撐設備另一方面也是連接兩個igct的導體
圖2 基于igct的三電平npc高壓變頻器結構實物圖
（2）三相橋臂共用兩套di/dt吸收電路
三相橋臂共用兩套di/dt吸收電路（lsrs和cs）如圖1所示
（3）直流母排與逆變回路通過層疊扁銅排相連
直流母排與逆變回路通過層疊扁銅排相連如圖3所示
圖3 直流母排連線實物圖
（4）控制系統采用多cpu和光纖can總線通訊系統
控制系統采用多cpu和光纖can總線通訊系統如圖4所示
圖4 多cpu主控制板a和can總線通訊板b
（5）輸出采用濾波與升壓一體化結構
輸出采用濾波與升壓一體化結構如圖5所示
圖5 集成式的升壓lc濾波系統
正是由于這些結構上的特點,而凸現出一些必須解決的關鍵技術問題
3 若干關鍵技術問題分析
高壓大容量變頻器涉及的關鍵技術很多本文就幾個主要的關鍵問題進行敘述和分析
3.1 igct安全工作區的有效設置
要提高大容量電力電子裝置可靠性需要特別關注半導體開關器件的特性同時研究器件的應用特性與電力電子裝置中其它元素之間的關系由此來設計和優化電力電子裝置的拓撲結構和控制策略等通常器件應用手冊中關于器件各類電特性的約束往往是基于特定的單管測試電路其中某些關鍵參數（如雜散電感）在實際應用中由于結構設計的問題很難保證與測試電路完全一致而且實際電路拓撲與半導體測試電路差異較大往往涉及到多個開關管之間的相互作用和相互聯系同時運行工況負載特性以及器件參數的差異使得性能優良的器件裝備在特定裝置運行在特定裝置中時并不一定會提升裝置的可靠性即通常意義下單個開關器件的安全工作區（以下簡稱soa）并不總是適用于整個裝置甚至在實際應用中要作較大的修正
在基于igct的高壓大容量變頻調速研究中圍繞igct和二極管等開關器件進行設計和分析提出了變換器全運行范圍安全工作區定義即以igct的安全工作區為基礎給出了igct安全運行與變換器安全運行的量化關系并以此直接對變換器的額定工作點控制方式保護措施結構雜散參數要求以及損耗和效率等進行優化優化示意圖如圖6所示在優化的過程中綜合使用了包括三電平變頻器中點電壓平衡與控制參數約束開關器件損耗建模與變頻器運行狀況綜合分析等多項具有自主知識產權的專利技術實際應用中取得了良好的效果大大減少了裝置的故障率
圖6 全運行范圍安全工作區在優化設計的應用
3.2 輸出少諧波的混合調制
高壓變頻器由于變換功率大開關頻率一般比較小因而輸出諧波比較大采用常規的正弦pwm（spwm）和空間矢量pwm（svpwm）都難以解決輸出諧波大的問題特定消諧pwm（shepwm）屬于優化pwm通過優化開關時刻可以用較少的開關次數得到較好的諧波特性其主要優點是在同樣的開關次數下輸出波形質量高轉矩和電流脈動小;降低了對濾波器的要求可以減小濾波器體積;在同樣的波形質量下開關次數低損耗小尤其適合采用gto和igct等對開關頻率有限制的高壓大功率場合直流母線電壓利用率高缺點是開關角度固定需要離線計算難以在線實現控制不夠靈活尤其是低頻時由于開關角度較多對存儲量要求較高
本系統采用混合pwm方法即低頻時采用異步svpwm高頻時采用shepwm避免了高頻時svpwm諧波特性變差和shepwm在低頻時存儲量大的缺點充分發揮了二者的優點使變頻器在整個工作范圍內都可以有效抑制低次諧波得到較好的輸出波形實現的難點在于銜接問題需要確保二者間的平滑過渡以保證混合調制的適用性為了解決這個問題采用固定角度切換的方法假定切換時刻的運行頻率為45hz對于svpwm開關頻率為600hz在參考矢量頻率為45hz時在一個周期內參考矢量在360°空間內采樣600/45=13.33次其中必定有一次落入0～28°區間僅當參考矢量落入這個區間內時才由svpwm切換至shepwm而從shepwm切換至svpwm時也僅當a相的相位落入某一固定角度區間時才切換至svpwm由于切換位置固定其現象和行為是可重復的在理論分析的基礎上通過實驗對其進行微調可以得到滿意的結果試驗結果如圖7所示其中上面的為變頻器輸出線電壓下面的為變頻器輸出相電流
圖7 svpwm和shepwm在45hz切換時的逆變器輸出電壓和電流
3.3 集成式濾波升壓系統設計
高壓大容量變頻調速系統的可靠應用目前更多的受限于半導體器件的制作和組裝工藝本系統采用高壓三電平npc變頻器中的igct器件耐壓等級為4.5kv這樣的結構最大輸出線電壓只能為3.3kv
除了輸出升壓至6kv是一個難題外由于開關頻率低系統輸出的電壓電流波形中存在著大量的諧波成分也是一個主要問題這些諧波成分引入電機會帶來嚴重的熱效應同時pwm波形中較陡的上升（下降）沿帶來了較大的dv/dt將直接威脅到電機絕緣并通過線路中的耦合電容產生軸電流和電磁干擾電壓等級越高越嚴重因此需要引入濾波裝置加以濾波常見的如rlc濾波器
如何將3.3kv/1250kw交流變頻調速系統直接應用于6kv輸出的系統除了有效升壓外還要盡量平滑輸出電壓波形減小電壓thd為此采用了升壓變壓器的原副邊等效漏電感進行濾波的新型結構并通過在大小容量樣機中的試驗對比驗證此種設計方案的有效性原理結構如圖8所示
圖8 高壓大容量中的濾波升壓裝置
仿真濾波效果如圖9所示
由圖9可見輸出諧波被大大減小
圖9 高壓大容量lc濾波效果仿真評估
3.4 基于雜散參數計算的最小脈寬設計
最小脈寬是指為保證開關器件完全安全開通和關斷工作而設置的門極控制信號的最小脈寬時間最小脈寬除受開關器件本身最高工作頻率限制外還與外部電路工作狀態如吸收電路和均壓電路等有關 通常文獻中所說的最小脈寬僅指單管最小脈寬包括通態最小脈寬（tonmin）和斷態最小脈寬（toffmin）在本系統中由于采用了三相逆變橋臂共用一套吸收電路則在兩個相鄰橋臂的換流過程之間也必須要加入相間最小脈寬（tmin）以保證在每相橋臂換流之前所共用的吸收電路處于穩定狀態因此最小脈寬的設置是器件和裝置安全可靠運行的關鍵之一由于開關過程中影響最大的是其首端脈沖和回流回路的過渡過程這些參數又由回路雜散參數決定因此最小脈寬的設計必須基于回路的雜散參數計算這是難題之一圖10即為igct開關過程中的電壓電流試驗波形一般都需要根據大量的試驗波形來確定最小脈寬的設置
圖10 igct電壓和負載電流實測波形
3.4 基于多重校驗的高可靠性can總線光纖通訊的多cpu協調控制
由于高壓變頻調速系統外圍設備較多輸入輸出關系復雜且自身保護和功能較多因而其控制系統也比較復雜實際中它們由分工不同的子系統單元組成如有多個控制版（主控板輸入輸出板手控盤ad版等）構成的多cpu系統各單元之間的通信通過can總線完成can總線集中分布在主控制單元附近除了主控制單元之外其余各單元的can控制器與can收發器之間均采用光纖作為通信介質實際應用中通訊的實時性和可靠性成為關鍵問題之一
編制了快速發送流程以使中斷程序在最短的時間內啟動發送保證了保護動作信號通信的實時性編制的發送流程還考慮了對上層程序配置的郵箱數據域的保護和恢復對于發送失敗的情況進行重新發送保證了程序邏輯的嚴密性及通信的可靠性優化后的通信系統在長時間運行中穩定可靠保護信號傳送快速及時系統運行時can總線上的波形如圖11所示
圖11 can總線電壓波形
從圖11（a）可看到數據采集單元定時發送給主控制單元的包含電壓電流采樣值的數據幀圖中較密集處還可看到io單元不定時發送的數據幀及主控制單元返回的數據幀從圖11（b）可觀察到保護動作時can總線通信比較頻繁保護時的外圍繼電器動作對can總線造成了明顯的干擾但can通信還能正常進行
4 現場試驗運行問題
高壓大容量變頻器現場運行與實驗室運行有很大的差別現場運行中的問題更是其系統能安全可靠運行的關鍵問題之一現場碰到的問題大概有
（1）高低溫變化大
現場環境溫度最高可到+50℃最低可到-30℃溫度的變化對裝置中的元器件特性有很大的影響
（2）振動噪聲大
由于裝置要在現場長期帶載運行冷卻風扇等帶來的振動使一些連接件（線）松懈或斷裂都有可能引起毀滅性的損害
（3）灰塵和潮濕
現場灰塵大尤其是對igct這樣的集成式的器件其驅動板以及主控板上的灰塵以及潮濕都易引起器件會線路短路而失效
（4）電磁干擾大
由于現場一般都是強電場區域且受多方面影響電源電壓波動也很大容易造成裝置運行失效
上述問題是影響高壓變頻器在現場正常運行的重要問題并且也是研制裝置中必須解決的問題以前都認為是一些工藝或者是保護等非電力電子本身技術問題實際上這些問題包含了電力電子技術中的一些深層次的理論問題如極端條件下的開關器件特性研究變頻器的失電跨越分布參數帶來的時延影響系統中的共模和差模問題等這些研究仍在進行中現場運行經驗的積累是重要環節之一由于研制中一直以現場安全可靠運行作為最終目標比較注重從實際中發現問題進而有效解決問題首臺研制的樣機已經在現場可靠運行有一年半了圖12為該高壓三電平變頻器在現場運行的情況該變頻器被用于一臺灰渣泵的調速代替了原來的通過閥門和給水量的調節根據水位的變化調節轉速實現了無人職守抽水量的自動控制且節能降耗效果明顯
圖12 現場運行的6kv/1250kw三電平變頻器及其水泵負載
5 結束語
（1）高壓大容量變頻器的基礎是高壓大容量開關器件一代器件決定一代技術以器件特性為基礎以裝置應用為牽引從原理仿真單件試驗以及系統試驗仔細地研究開關器件應用特性是研制高壓大容量變頻器的有效途徑
（2）在高壓大容量或超大容量電力電子變換裝置中由于能量變換特征更是明顯必須針對開關過渡過程分布參數信號及功率延時等特性了解清楚
（3）將系統可靠性和適應性問題作為研究目標并且主要關鍵技術都是從可靠性的研究中獲得是解決適用的高壓大容量變頻器的關鍵所在
