摘 要 ：高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)是電力電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的重要研究方向之一。本文針對(duì)作者所研發(fā)的基于IGCT的6kV/1250kW高壓三電平中點(diǎn)箝位式變頻器中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，并給出相關(guān)的仿真分析和試驗(yàn)研究結(jié)果。 1 引言 近年來(lái)，我國(guó)變頻調(diào)速裝置的研發(fā)和生產(chǎn)能力在不斷的提高，應(yīng)用水平也有長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前正在向高性能和高壓大容量方向發(fā)展。研制中高壓變頻器一直是熱點(diǎn)之一，但由于其技術(shù)門(mén)坎高、資金投入大、研發(fā)周期長(zhǎng)，也一直是該研究領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。目前所采用的高壓大容量變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有： ● 電容飛跨式； ● 單元級(jí)聯(lián)式，即所謂的Robicon結(jié)構(gòu); ● 二極管中點(diǎn)箝位（NPC）式，國(guó)際上以ABB和Siemens的產(chǎn)品為代表。 相比之下，由于二極管箝位式結(jié)構(gòu)需要器件比較少，結(jié)構(gòu)緊湊，控制算法簡(jiǎn)潔、易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)四象限運(yùn)行而可以作為高端變頻器使用等特點(diǎn)而被日益重視。但是由于該結(jié)構(gòu)直接采用高壓開(kāi)關(guān)器件（如GTO、IGCT或高壓IGBT等）作為開(kāi)關(guān)工作單元，高壓特征明顯，器件承荷余量減小，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的配置要求提高，特別原來(lái)在中小容量和低壓系統(tǒng)中不突出的能量瞬態(tài)過(guò)程和分布參數(shù)影響變得突出，致使研制難度增加，風(fēng)險(xiǎn)增大，進(jìn)而成為高壓大容量電力電子變換器的難點(diǎn)問(wèn)題之一。 我國(guó)對(duì)高壓（3kV以上）大容量（1000kW以上）的三電平NPC變頻調(diào)速系統(tǒng)的研制仍處于初步階段。為加速我國(guó)自己的高端中高壓變頻調(diào)速裝置的發(fā)展，2001年10月清華大學(xué)電機(jī)系與國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司聯(lián)合成立了清華南自電力電子應(yīng)用技術(shù)聯(lián)合研究所，專門(mén)針對(duì)高壓大容量三電平NPC變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)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(jī)，2005年實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期無(wú)故障滿載運(yùn)行，2006年通過(guò)了國(guó)家級(jí)技術(shù)檢測(cè)部門(mén)的全部型式試驗(yàn)和部委級(jí)的技術(shù)和產(chǎn)品鑒定，目前已全面走向市場(chǎng)。 回顧五年多的研發(fā)歷程，走過(guò)了一條從理論到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐到理論的探索過(guò)程。尤其是對(duì)高壓大容量電力電子變換裝置中的關(guān)鍵問(wèn)題理解有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，淺膚之識(shí)，與大家一起分享。 2 基于IGCT三電平NPC變頻器主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由于高壓大容量變頻器的電壓高、電流大，相應(yīng)的電壓電流變化率也大，回路分布參數(shù)影響大，使得該類變頻器在開(kāi)關(guān)器件的選擇、器件之間的連線、吸收電路元件參數(shù)的匹配、波形調(diào)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(qū)別。因此，結(jié)構(gòu)上也有很大的不同。本文所研制的變頻器結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。 它在結(jié)構(gòu)上有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)： （1）采用IGCT作為主開(kāi)關(guān)器件，且采用壓裝結(jié)構(gòu) 采用IGCT作為主開(kāi)關(guān)器件，且采用壓裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，分立散熱器一方面為IGCT散熱和壓裝結(jié)構(gòu)的支撐設(shè)備，另一方面也是連接兩個(gè)IGCT的導(dǎo)體。 （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（Ls、Rs和Cs），如圖1所示。 （3）直流母排與逆變回路通過(guò)層疊扁銅排相連 直流母排與逆變回路通過(guò)層疊扁銅排相連，如圖3所示。 （4）控制系統(tǒng)采用多CPU和光纖CAN總線通訊系統(tǒng) 控制系統(tǒng)采用多CPU和光纖CAN總線通訊系統(tǒng)，如圖4所示。 （5）輸出采用濾波與升壓一體化結(jié)構(gòu) 輸出采用濾波與升壓一體化結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 正是由于這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),而凸現(xiàn)出一些必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。 3 若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析 高壓大容量變頻器涉及的關(guān)鍵技術(shù)很多，本文就幾個(gè)主要的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行敘述和分析。 3.1 IGCT安全工作區(qū)的有效設(shè)置 要提高大容量電力電子裝置可靠性，需要特別關(guān)注半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的特性，同時(shí)研究器件的應(yīng)用特性與電力電子裝置中其它元素之間的關(guān)系，由此來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化電力電子裝置的拓?fù)?、結(jié)構(gòu)和控制策略等。通常器件應(yīng)用手冊(cè)中關(guān)于器件各類電特性的約束往往是基于特定的單管測(cè)試電路，其中某些關(guān)鍵參數(shù)（如雜散電感）在實(shí)際應(yīng)用中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，很難保證與測(cè)試電路完全一致。而且，實(shí)際電路拓?fù)渑c半導(dǎo)體測(cè)試電路差異較大，往往涉及到多個(gè)開(kāi)關(guān)管之間的相互作用和相互聯(lián)系。同時(shí)，運(yùn)行工況、負(fù)載特性以及器件參數(shù)的差異，使得性能優(yōu)良的器件裝備在特定裝置、運(yùn)行在特定裝置中時(shí)并不一定會(huì)提升裝置的可靠性，即通常意義下單個(gè)開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū)（以下簡(jiǎn)稱SOA）并不總是適用于整個(gè)裝置，甚至在實(shí)際應(yīng)用中要作較大的修正。 在基于IGCT的高壓大容量變頻調(diào)速研究中，圍繞IGCT和二極管等開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，提出了變換器全運(yùn)行范圍安全工作區(qū)定義，即以IGCT的安全工作區(qū)為基礎(chǔ)，給出了IGCT安全運(yùn)行與變換器安全運(yùn)行的量化關(guān)系，并以此直接對(duì)變換器的額定工作點(diǎn)、控制方式、保護(hù)措施、結(jié)構(gòu)雜散參數(shù)要求以及損耗和效率等進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化示意圖如圖6所示。在優(yōu)化的過(guò)程中，綜合使用了包括三電平變頻器中點(diǎn)電壓平衡與控制參數(shù)約束、開(kāi)關(guān)器件損耗建模與變頻器運(yùn)行狀況綜合分析等多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，大大減少了裝置的故障率。 3.2 輸出少諧波的混合調(diào)制 高壓變頻器由于變換功率大，開(kāi)關(guān)頻率一般比較小，因而輸出諧波比較大。采用常規(guī)的正弦PWM（SPWM）和空間矢量PWM（SVPWM）都難以解決輸出諧波大的問(wèn)題。特定消諧PWM（SHEPWM）屬于優(yōu)化PWM，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)時(shí)刻，可以用較少的開(kāi)關(guān)次數(shù)得到較好的諧波特性。其主要優(yōu)點(diǎn)是：在同樣的開(kāi)關(guān)次數(shù)下，輸出波形質(zhì)量高，轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)小;降低了對(duì)濾波器的要求，可以減小濾波器體積;在同樣的波形質(zhì)量下，開(kāi)關(guān)次數(shù)低，損耗小，尤其適合采用GTO和IGCT等對(duì)開(kāi)關(guān)頻率有限制的高壓大功率場(chǎng)合；直流母線電壓利用率高。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)角度固定，需要離線計(jì)算，難以在線實(shí)現(xiàn)，控制不夠靈活，尤其是低頻時(shí)由于開(kāi)關(guān)角度較多，對(duì)存儲(chǔ)量要求較高。 本系統(tǒng)采用混合PWM方法，即低頻時(shí)采用異步SVPWM，高頻時(shí)采用SHEPWM，避免了高頻時(shí)SVPWM諧波特性變差和SHEPWM在低頻時(shí)存儲(chǔ)量大的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，使變頻器在整個(gè)工作范圍內(nèi)都可以有效抑制低次諧波，得到較好的輸出波形。實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于銜接問(wèn)題，需要確保二者間的平滑過(guò)渡以保證混合調(diào)制的適用性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用固定角度切換的方法。假定切換時(shí)刻的運(yùn)行頻率為45Hz，對(duì)于SVPWM，開(kāi)關(guān)頻率為600Hz，在參考矢量頻率為45Hz時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)參考矢量在360°空間內(nèi)采樣600/45=13.33次，其中必定有一次落入0～28°區(qū)間，僅當(dāng)參考矢量落入這個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)才由SVPWM切換至SHEPWM。而從SHEPWM切換至SVPWM時(shí)，也僅當(dāng)A相的相位落入某一固定角度區(qū)間時(shí)才切換至SVPWM。由于切換位置固定，其現(xiàn)象和行為是可重復(fù)的，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行微調(diào)，可以得到滿意的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)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。 3.3 集成式濾波升壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高壓大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠應(yīng)用目前更多的受限于半導(dǎo)體器件的制作和組裝工藝。本系統(tǒng)采用高壓三電平NPC變頻器中的IGCT器件耐壓等級(jí)為4.5kV，這樣的結(jié)構(gòu)最大輸出線電壓只能為3.3kV。 除了輸出升壓至6kV是一個(gè)難題外，由于開(kāi)關(guān)頻率低，系統(tǒng)輸出的電壓、電流波形中存在著大量的諧波成分也是一個(gè)主要問(wèn)題。這些諧波成分引入電機(jī)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的熱效應(yīng)；同時(shí)，PWM波形中較陡的上升（下降）沿帶來(lái)了較大的dv/dt，將直接威脅到電機(jī)絕緣，并通過(guò)線路中的耦合電容產(chǎn)生軸電流和電磁干擾，電壓等級(jí)越高越嚴(yán)重。因此，需要引入濾波裝置加以濾波，常見(jiàn)的如RLC濾波器。 如何將3.3kV/1250kW交流變頻調(diào)速系統(tǒng)直接應(yīng)用于6kV輸出的系統(tǒng)，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(jìn)行濾波的新型結(jié)構(gòu)，并通過(guò)在大、小容量樣機(jī)中的試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證此種設(shè)計(jì)方案的有效性。原理結(jié)構(gòu)如圖8所示。 仿真濾波效果如圖9所示。 由圖9可見(jiàn)，輸出諧波被大大減小。 3.4 基于雜散參數(shù)計(jì)算的最小脈寬設(shè)計(jì) 最小脈寬是指為保證開(kāi)關(guān)器件完全安全開(kāi)通和關(guān)斷工作而設(shè)置的門(mén)極控制信號(hào)的最小脈寬時(shí)間。最小脈寬除受開(kāi)關(guān)器件本身最高工作頻率限制外，還與外部電路工作狀態(tài)如吸收電路和均壓電路等有關(guān)。 通常文獻(xiàn)中所說(shuō)的最小脈寬僅指單管最小脈寬，包括通態(tài)最小脈寬（tONMIN）和斷態(tài)最小脈寬（tOFFMIN）。在本系統(tǒng)中，由于采用了三相逆變橋臂共用一套吸收電路，則在兩個(gè)相鄰橋臂的換流過(guò)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(wěn)定狀態(tài)。因此，最小脈寬的設(shè)置是器件和裝置安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一。由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中影響最大的是其首端脈沖和回流回路的過(guò)渡過(guò)程，這些參數(shù)又由回路雜散參數(shù)決定。因此，最小脈寬的設(shè)計(jì)必須基于回路的雜散參數(shù)計(jì)算。這是難題之一。圖10即為IGCT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓電流試驗(yàn)波形。一般都需要根據(jù)大量的試驗(yàn)波形來(lái)確定最小脈寬的設(shè)置。 3.4 基于多重校驗(yàn)的高可靠性CAN總線光纖通訊的多CPU協(xié)調(diào)控制 由于高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)外圍設(shè)備較多，輸入輸出關(guān)系復(fù)雜，且自身保護(hù)和功能較多，因而其控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。實(shí)際中，它們由分工不同的子系統(tǒng)單元組成，如有多個(gè)控制版（主控板、輸入輸出板、手控盤(pán)、AD版等）構(gòu)成的多CPU系統(tǒng)。各單元之間的通信通過(guò)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(fā)器之間均采用光纖作為通信介質(zhì)。實(shí)際應(yīng)用中，通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性成為關(guān)鍵問(wèn)題之一。 編制了快速發(fā)送流程，以使中斷程序在最短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)發(fā)送，保證了保護(hù)動(dòng)作信號(hào)通信的實(shí)時(shí)性；編制的發(fā)送流程還考慮了對(duì)上層程序配置的郵箱數(shù)據(jù)域的保護(hù)和恢復(fù)，對(duì)于發(fā)送失敗的情況進(jìn)行重新發(fā)送，保證了程序邏輯的嚴(yán)密性及通信的可靠性。優(yōu)化后的通信系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中穩(wěn)定可靠，保護(hù)信號(hào)傳送快速及時(shí)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)CAN總線上的波形如圖11所示。 從圖11（a）可看到數(shù)據(jù)采集單元定時(shí)發(fā)送給主控制單元的包含電壓電流采樣值的數(shù)據(jù)幀，圖中較密集處還可看到IO單元不定時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀及主控制單元返回的數(shù)據(jù)幀。從圖11（b）可觀察到，保護(hù)動(dòng)作時(shí)CAN總線通信比較頻繁，保護(hù)時(shí)的外圍繼電器動(dòng)作對(duì)CAN總線造成了明顯的干擾，但CAN通信還能正常進(jìn)行。 4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行問(wèn)題 高壓大容量變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行有很大的差別?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中的問(wèn)題更是其系統(tǒng)能安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一。現(xiàn)場(chǎng)碰到的問(wèn)題大概有： （1）高低溫變化大 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度最高可到+50℃，最低可到-30℃。溫度的變化對(duì)裝置中的元器件特性有很大的影響。 （2）振動(dòng)噪聲大 由于裝置要在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期帶載運(yùn)行，冷卻風(fēng)扇等帶來(lái)的振動(dòng)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(xiàn)場(chǎng)灰塵大，尤其是對(duì)IGCT這樣的集成式的器件，其驅(qū)動(dòng)板以及主控板上的灰塵以及潮濕都易引起器件會(huì)線路短路而失效。 （4）電磁干擾大 由于現(xiàn)場(chǎng)一般都是強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，且受多方面影響，電源電壓波動(dòng)也很大，容易造成裝置運(yùn)行失效。 上述問(wèn)題是影響高壓變頻器在現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行的重要問(wèn)題，并且也是研制裝置中必須解決的問(wèn)題。以前都認(rèn)為是一些工藝或者是保護(hù)等非電力電子本身技術(shù)問(wèn)題，實(shí)際上這些問(wèn)題包含了電力電子技術(shù)中的一些深層次的理論問(wèn)題，如極端條件下的開(kāi)關(guān)器件特性研究，變頻器的失電跨越，分布參數(shù)帶來(lái)的時(shí)延影響，系統(tǒng)中的共模和差模問(wèn)題等。這些研究仍在進(jìn)行中，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累是重要環(huán)節(jié)之一。由于研制中一直以現(xiàn)場(chǎng)安全可靠運(yùn)行作為最終目標(biāo)，比較注重從實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)而有效解決問(wèn)題，首臺(tái)研制的樣機(jī)已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)可靠運(yùn)行有一年半了。圖12為該高壓三電平變頻器在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況。該變頻器被用于一臺(tái)灰渣泵的調(diào)速，代替了原來(lái)的通過(guò)閥門(mén)和給水量的調(diào)節(jié)，根據(jù)水位的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人職守抽水量的自動(dòng)控制，且節(jié)能降耗效果明顯。 5 結(jié)束語(yǔ) （1）高壓大容量變頻器的基礎(chǔ)是高壓大容量開(kāi)關(guān)器件，一代器件決定一代技術(shù)。以器件特性為基礎(chǔ)，以裝置應(yīng)用為牽引，從原理、仿真、單件試驗(yàn)以及系統(tǒng)試驗(yàn)仔細(xì)地研究開(kāi)關(guān)器件應(yīng)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(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程、分布參數(shù)、信號(hào)及功率延時(shí)等特性了解清楚。 （3）將系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性問(wèn)題作為研究目標(biāo)，并且主要關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵所在。