摘要：本文介紹了基于三電平拓?fù)涞拇蠊β手袎鹤冾l系統(tǒng)，單臺(tái)容量達(dá)8MVA，可以多臺(tái)并聯(lián)擴(kuò)展。變頻器功率開關(guān)器件采用集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor），變頻器采用交-直-交背靠背拓?fù)?，整流和逆變部分均為中點(diǎn)鉗位NPC（NeutralPointClamped）三電平結(jié)構(gòu)。整流部分設(shè)計(jì)為有源前端AFE（ActiveFrontEnd），可以實(shí)現(xiàn)逆變器電能向電網(wǎng)回饋，逆變部分采用轉(zhuǎn)子磁量定向的矢量控制，可以達(dá)到高性能的調(diào)速指標(biāo)。變頻器能夠四象限運(yùn)行，所述系統(tǒng)不僅諧波含量小而且具有很好動(dòng)態(tài)特性和調(diào)速精度,適用于調(diào)速范圍寬的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1引言

中高壓大容量變頻傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、礦井提升、造紙、石油開采、船舶推進(jìn)等多種工業(yè)場(chǎng)合，研制高性能的大功率變頻器對(duì)于節(jié)能降耗、全面提升工業(yè)水平具有重要意義。但是，和低壓、小容量變頻器的研制相比，中高壓大容量變頻器的研制對(duì)功率器件的性能和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有更高要求，因此難度更大。

采用多電平主電路結(jié)構(gòu)是中高壓變頻器的一個(gè)重要發(fā)展方向。和兩電平結(jié)構(gòu)相比，多電平結(jié)構(gòu)降低了功率器件的耐壓要求，具有輸出電壓電能質(zhì)量好（波形接近正弦，諧波?。?、開關(guān)損耗低和電壓變化率du/dt小等特點(diǎn)，非常適合高電壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。目前常見(jiàn)的多電平結(jié)構(gòu)有電壓源型中點(diǎn)鉗位三電平變頻器（Three-levelnetural-point-clampedvoltagesourceconverter,3L-NPCVSC）、電壓源型電容鉗位四電平變頻器（Four-levelflyingcapacitorvoltagesourceconverter，4L-FLCVSC）和電壓源型H橋級(jí)聯(lián)變頻器（Series-connectedH-bridgevoltagesourceconverter，SCHBVSC），其中電壓源型中點(diǎn)鉗位三電平結(jié)構(gòu)比其他結(jié)構(gòu)具有較高的效率，因此在工業(yè)中應(yīng)用較多。目前，國(guó)外知名電氣公司大多推出了各自的三電平變頻器產(chǎn)品，例如ABB的ACS6000系列以及西門子的SIMVERTML2系列，均具有較高的性能指標(biāo)。

我國(guó)在中高壓大功率變頻器方面的研究相對(duì)比較落后，過(guò)去主要以晶閘管作為功率器件，開發(fā)直流傳動(dòng)裝置和交-交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。這些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，由于開關(guān)頻率較低，其控制性能和網(wǎng)側(cè)諧波較差。近十五年來(lái)，國(guó)內(nèi)的大容量變頻器開發(fā)有了突破性進(jìn)展，北京利德華福電氣技術(shù)有限公司（已被施耐德電氣收購(gòu)）、北京合康億盛變頻科技有限公司、深圳英威騰電氣股份有限公司等企業(yè)推出了采用低壓IGBT的電壓源型H橋級(jí)聯(lián)高壓變頻器，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司、徐州中礦傳動(dòng)與自動(dòng)化有限公司研制出基于IGBT的中壓三電平變頻器，電壓等級(jí)可達(dá)3kV。依靠?jī)r(jià)格優(yōu)勢(shì)，這些產(chǎn)品可以在一定程度上與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，但總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)的中高壓變頻器品牌主要以H橋串聯(lián)形式為主，技術(shù)相對(duì)單一，多電平變頻器的研發(fā)和應(yīng)用仍顯不足，技術(shù)水平比國(guó)外有較大差距。

為了提高國(guó)產(chǎn)大功率變頻技術(shù)的水平，擺脫國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)進(jìn)口技術(shù)和裝備的依賴，天津電氣科學(xué)研究院有限公司在多年大功率變頻技術(shù)積累的基礎(chǔ)上開展了對(duì)電壓源型中點(diǎn)鉗位三電平變頻器的研發(fā)工作。經(jīng)過(guò)兩年多的努力探索，成功開發(fā)出基于IGCT的3.3kV、8MVA三電平變頻器，如圖1所示，

該變頻器成功地解決了交流電機(jī)矢量控制技術(shù)和有源前端整流器控制技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已在國(guó)家電控配電設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心完成了2MW異步電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)IGCT三電平中壓變頻器研究的空白。

2變頻器主回路以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1功率主回路及其控制系統(tǒng)

變頻器的功率主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，功率主回路采用雙PWM背靠背結(jié)構(gòu)，變頻器可以四象限運(yùn)行，有功功率既可從電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)，也可從電動(dòng)機(jī)側(cè)流回電網(wǎng)。變頻器通過(guò)三相整流變壓器和電網(wǎng)連接，變壓器輸出的工頻三相交流電經(jīng)過(guò)有源前端整流單元整流，得到極性為正、負(fù)、零的直流電壓。有源前端整流單元采用PWM整流技術(shù)，使得其輸入功率因數(shù)在較大范圍內(nèi)可控。在調(diào)制算法中采用了特定諧波消除法(SelectedharmonicElimination-SHE)，有效的抑制了諧波流入電網(wǎng)。逆變器采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制算法，提高了電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能和調(diào)速精度。直流環(huán)節(jié)為能耗制動(dòng)部分，當(dāng)直流電壓較高時(shí)，觸發(fā)晶閘管，通過(guò)電阻對(duì)直流放電，同時(shí)也可以作為裝置的快速放電回路。

變頻器采用的功率器件為ABB公司的專利產(chǎn)品——IGCT。選用這一器件是考慮到它的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都較低，非常適用于大功率中壓變頻技術(shù)。

2.2控制系統(tǒng)

為適應(yīng)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)快速、實(shí)時(shí)性要求，我單位成功開發(fā)出了新型數(shù)字控制系統(tǒng)TGCS，其外觀如圖3所示。

TGCS的硬件部分以TI公司新一代CPU和ALTERA公司大規(guī)模FPGA作為核心控制芯片，TGCS軟件適用于電氣傳動(dòng)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)控制、電氣設(shè)備及電源設(shè)備制造等需要數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的場(chǎng)合，該軟件中有自己的基本功能模塊庫(kù)，可以根據(jù)需要直接調(diào)用實(shí)現(xiàn)模塊化編程，同時(shí)可以將特定的功能以語(yǔ)言的形式編寫然后封裝塊，這增加了調(diào)試的靈活性。通過(guò)模塊化編寫的程序通用數(shù)字控制器（TGC）中的數(shù)字信號(hào)處理器完成代碼的編譯、代碼下載及DSP程序的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

通過(guò)合理配置核心硬件及相應(yīng)的外圍接口，使之協(xié)調(diào)高效工作?？刂破鞑捎媚K化設(shè)計(jì)，因此硬件組態(tài)靈活方便。為保證中壓功率部分與控制部分的絕緣并克服信號(hào)傳輸過(guò)程中的電磁干擾，信號(hào)的傳輸采用了新型實(shí)用且安全可靠的10M、100M高速光纖通訊電路，通過(guò)合理選型及設(shè)計(jì)采用了適宜工業(yè)運(yùn)行的高速且容錯(cuò)的編解碼技術(shù)，這種數(shù)字光纖通訊技術(shù)，滿足中壓變頻安全、快速、穩(wěn)定可靠的通信要求。

圖4顯示了TGCS的編程界面。采用TGCS編寫程序時(shí)，只需選擇適當(dāng)?shù)某绦蚬δ軌K拖到圖形編輯區(qū)，然后在對(duì)應(yīng)的端子間連線，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)即可，其操作過(guò)程與MATLAB/Simulink類似，易于系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程人員掌握，因此顯著提高編程效率。除此之外，在對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中可以對(duì)模塊的端子進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

變頻器研制開發(fā)了適合于數(shù)字控制的新型高精度信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，主要包括：采用高壓直接檢測(cè)技術(shù)，安全可靠地采集主回路各類的高電壓信號(hào)；采用Σ/Δ的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)高速、高精度的各種模擬量信號(hào)的數(shù)字化采集電路。

3逆變器及其控制

逆變器的輸出端連接負(fù)載（一般為電動(dòng)機(jī)），速度的控制是逆變器控制的最終的目標(biāo)，因此算法中采用雙閉環(huán)控制，由速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，異步電機(jī)控制系統(tǒng)如圖5所示?？刂葡到y(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方法，該算法具有轉(zhuǎn)矩平滑、脈動(dòng)小、響應(yīng)快等特點(diǎn)，適合高性能變頻控制系統(tǒng)。電機(jī)模型的預(yù)測(cè)是控制的重要部分，常用的建模方法有兩種：一種是根據(jù)電流矢量計(jì)算滑差頻率和負(fù)載角度、以及磁鏈，稱為電流模型；另一種是基于實(shí)際電動(dòng)勢(shì)積分計(jì)算磁鏈及其角頻率和磁鏈位置角，稱為電壓模型。

兩種模型建模的原理決定了兩種模型的使用范圍，電流模型適合于低速時(shí)的控制，低速時(shí)電機(jī)的參數(shù)變化不明顯，并且在低速時(shí)候電動(dòng)勢(shì)比較小，不利于模型的計(jì)算；電壓模型適合于高速時(shí)的控制，并且模型中對(duì)電機(jī)的參數(shù)的依賴很小，同時(shí)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)較大，有助于提高模型的計(jì)算精度，因此在不同速度區(qū)間分別采用這兩種模型來(lái)做控制。

在實(shí)現(xiàn)圖5的功能時(shí)，電壓模型和電流模型之間的過(guò)渡控制是系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的關(guān)鍵，其中磁鏈位置角的過(guò)渡尤為重要。在變頻器研制過(guò)程中，通過(guò)深入研究電壓模型和電流模型各自特點(diǎn)，反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了模型之間的平穩(wěn)過(guò)渡，同時(shí)在過(guò)渡區(qū)也具有很好的可靠性和穩(wěn)定性，保證矢量控制獲得較好的效果。

4有源前端（AFE）整流器及其控制

從圖2中可以看出變頻器整流部分采用了和逆變部分同樣的電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)整流和逆變的功能。和傳統(tǒng)的整流技術(shù)相比，有源前端的整流技術(shù)不再是被動(dòng)將交流轉(zhuǎn)換為直流，而是具備了“有源”功能，可以實(shí)現(xiàn)功率的控制。有源前端整流器不僅可以消除高次諧波，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)功能，而且整流電壓不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

有源前端矢量控制原理：以電網(wǎng)電壓矢量作為基準(zhǔn)矢量，輸入電流的相位和幅值可以通過(guò)改變占空比控制信號(hào)的幅值和角度來(lái)控制，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流有功分量和無(wú)功分量的分別控制。

圖6為有源前端在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制整體框圖。由圖中可知，控制系統(tǒng)由電流內(nèi)環(huán)和直流電壓外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，直流電壓為電壓環(huán)的參考指令，其與實(shí)際反饋值的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作為有功電流給定的一部分，另一部分為負(fù)載電流作為前饋信號(hào)，前饋信號(hào)的引入是提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的最直接有效的方法；無(wú)功電流的計(jì)算是功率因數(shù)控制環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)確定。若裝置工作于功率因數(shù)整流狀態(tài)，則無(wú)功電流給定值為0。另外，為進(jìn)一步消除較低次諧波，系統(tǒng)采用了特定諧波消除法（SHE-PWM）進(jìn)行調(diào)制。

5變頻器試驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試變頻器性能，在已有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)研制的變頻器的控制策略進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝置1為主變頻器，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，裝置2為副變頻器，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，作為加載使用。圖8記錄了裝置1轉(zhuǎn)速給定70％，裝置2轉(zhuǎn)矩給定為-80％的實(shí)驗(yàn)工況，圖8實(shí)驗(yàn)波形為裝置2AFE整流單元線電壓、相電流波形，從圖8中看出變頻器可以在能量回饋狀態(tài)下可以穩(wěn)定運(yùn)行，電流正弦度較好。

圖9為裝置1逆變器轉(zhuǎn)矩電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值，其中裝置2突加3秒50％負(fù)載轉(zhuǎn)矩。從圖中可以看出轉(zhuǎn)速具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度。

6結(jié)論

本文介紹了天津電氣科學(xué)研究院有限公司研制的基于三電平拓?fù)涞挠性辞岸舜蠊β手袎鹤冾l器。三電平結(jié)構(gòu)是中高壓大功率交流傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，西門子、ABB等國(guó)際知名公司在三電平變頻器的研制方面成績(jī)顯著，推出了高性能、系列化的產(chǎn)品。相比之下，我國(guó)在中高壓大功率三電平裝置方面的研發(fā)和應(yīng)用仍顯不足，比國(guó)外同行有較大差距。最近，天津電氣科學(xué)研究院有限公司成功研制了基于IGCT的3.3kV、8MVA三電平有源前端變頻器，2MW異步電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)結(jié)果表明，該產(chǎn)品成功解決了中壓大功率三電平的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)IGCT三電平中壓變頻器研究的空白。