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。本文針對作者所研發(fā)的基于IGCT的6kV/1250kW高壓三電平中點箝位式變頻器中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析，并給出相關(guān)的仿真分析和試驗研究結(jié)果。 1 引言 近年來，我國變頻調(diào)速裝置的研發(fā)和生產(chǎn)能力在不斷的提高，應(yīng)用水平也有長足的進步。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之一，但由于其技術(shù)門坎高、資金投入大、研發(fā)周期長，也一直是該研究領(lǐng)域的難點之一。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； ● 單元級聯(lián)式，即所謂的Robicon結(jié)構(gòu); ● 二極管中點箝位（NPC）式，國際上以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，控制算法簡潔、易于實現(xiàn)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)直接采用高壓開關(guān)器件（如GTO、IGCT或高壓IGBT等）作為開關(guān)工作單元，高壓特征明顯，器件承荷余量減小，對系統(tǒng)參數(shù)的配置要求提高，特別原來在中小容量和低壓系統(tǒng)中不突出的能量瞬態(tài)過程和分布參數(shù)影響變得突出，致使研制難度增加，風(fēng)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(diào)速系統(tǒng)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(diào)速裝置的發(fā)展，2001年10月清華大學(xué)電機系與國電南京自動化股份有限公司聯(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，專門針對高壓大容量三電平NPC變頻調(diào)速系統(tǒng)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(xiàn)了現(xiàn)場長期無故障滿載運行，2006年通過了國家級技術(shù)檢測部門的全部型式試驗和部委級的技術(shù)和產(chǎn)品鑒定，目前已全面走向市場。 回顧五年多的研發(fā)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(guān)鍵問題理解有了進一步認(rèn)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(jié)構(gòu)特點 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)上有以下幾個主要特點： （1）采用IGCT作為主開關(guān)器件，且采用壓裝結(jié)構(gòu) 采用IGCT作為主開關(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。 （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,而凸現(xiàn)出一些必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 3 若干關(guān)鍵技術(shù)問題分析 高壓大容量變頻器涉及的關(guān)鍵技術(shù)很多，本文就幾個主要的關(guān)鍵問題進行敘述和分析。 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)體開關(guān)器件的特性，同時研究器件的應(yīng)用特性與電力電子裝置中其它元素之間的關(guān)系，由此來設(shè)計和優(yōu)化電力電子裝置的拓?fù)洹⒔Y(jié)構(gòu)和控制策略等。通常器件應(yīng)用手冊中關(guān)于器件各類電特性的約束往往是基于特定的單管測試電路，其中某些關(guān)鍵參數(shù)（如雜散電感）在實際應(yīng)用中由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題，很難保證與測試電路完全一致。而且，實際電路拓?fù)渑c半導(dǎo)體測試電路差異較大，往往涉及到多個開關(guān)管之間的相互作用和相互聯(lián)系。同時，運行工況、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(guān)器件的安全工作區(qū)（以下簡稱SOA）并不總是適用于整個裝置，甚至在實際應(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和二極管等開關(guān)器件進行設(shè)計和分析，提出了變換器全運行范圍安全工作區(qū)定義，即以IGCT的安全工作區(qū)為基礎(chǔ)，給出了IGCT安全運行與變換器安全運行的量化關(guān)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(jié)構(gòu)雜散參數(shù)要求以及損耗和效率等進行優(yōu)化，優(yōu)化示意圖如圖6所示。在優(yōu)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(shù)約束、開關(guān)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(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)。實際應(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題。特定消諧PWM（SHEPWM）屬于優(yōu)化PWM，通過優(yōu)化開關(guān)時刻，可以用較少的開關(guān)次數(shù)得到較好的諧波特性。其主要優(yōu)點是：在同樣的開關(guān)次數(shù)下，輸出波形質(zhì)量高，轉(zhuǎn)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(zhì)量下，開關(guān)次數(shù)低，損耗小，尤其適合采用GTO和IGCT等對開關(guān)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(guān)角度固定，需要離線計算，難以在線實現(xiàn)，控制不夠靈活，尤其是低頻時由于開關(guān)角度較多，對存儲量要求較高。 本系統(tǒng)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(fā)揮了二者的優(yōu)點，使變頻器在整個工作范圍內(nèi)都可以有效抑制低次諧波，得到較好的輸出波形。實現(xiàn)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(diào)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(guān)頻率為600Hz，在參考矢量頻率為45Hz時，在一個周期內(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)參考矢量落入這個區(qū)間內(nèi)時才由SVPWM切換至SHEPWM。而從SHEPWM切換至SVPWM時，也僅當(dāng)A相的相位落入某一固定角度區(qū)間時才切換至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，通過實驗對其進行微調(diào)，可以得到滿意的結(jié)果。試驗結(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 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是一個難題外，由于開關(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主要問題。這些諧波成分引入電機會帶來嚴(yán)重的熱效應(yīng)；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(chǎn)生軸電流和電磁干擾，電壓等級越高越嚴(yán)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(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行濾波的新型結(jié)構(gòu)，并通過在大、小容量樣機中的試驗對比驗證此種設(shè)計方案的有效性。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，輸出諧波被大大減小。 3.4 基于雜散參數(shù)計算的最小脈寬設(shè)計 最小脈寬是指為保證開關(guān)器件完全安全開通和關(guān)斷工作而設(shè)置的門極控制信號的最小脈寬時間。最小脈寬除受開關(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)。 通常文獻中所說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(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行的關(guān)鍵之一。由于開關(guān)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(shù)又由回路雜散參數(shù)決定。因此，最小脈寬的設(shè)計必須基于回路的雜散參數(shù)計算。這是難題之一。圖10即為IGCT開關(guān)過程中的電壓電流試驗波形。一般都需要根據(jù)大量的試驗波形來確定最小脈寬的設(shè)置。 3.4 基于多重校驗的高可靠性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，且自身保護和功能較多，因而其控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。實際中，它們由分工不同的子系統(tǒng)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(gòu)成的多CPU系統(tǒng)。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(fā)器之間均采用光纖作為通信介質(zhì)。實際應(yīng)用中，通訊的實時性和可靠性成為關(guān)鍵問題之一。 編制了快速發(fā)送流程，以使中斷程序在最短的時間內(nèi)啟動發(fā)送，保證了保護動作信號通信的實時性；編制的發(fā)送流程還考慮了對上層程序配置的郵箱數(shù)據(jù)域的保護和恢復(fù)，對于發(fā)送失敗的情況進行重新發(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)在長時間運行中穩(wěn)定可靠，保護信號傳送快速及時。系統(tǒng)運行時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(xiàn)場試驗運行問題 高壓大容量變頻器現(xiàn)場運行與實驗室運行有很大的差別?，F(xiàn)場運行中的問題更是其系統(tǒng)能安全可靠運行的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)場碰到的問題大概有： （1）高低溫變化大 現(xiàn)場環(huán)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(xiàn)場長期帶載運行，冷卻風(fēng)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(xiàn)場灰塵大，尤其是對IGCT這樣的集成式的器件，其驅(qū)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(xiàn)場一般都是強電場區(qū)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(xiàn)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(rèn)為是一些工藝或者是保護等非電力電子本身技術(shù)問題，實際上這些問題包含了電力電子技術(shù)中的一些深層次的理論問題，如極端條件下的開關(guān)器件特性研究，變頻器的失電跨越，分布參數(shù)帶來的時延影響，系統(tǒng)中的共模和差模問題等。這些研究仍在進行中，現(xiàn)場運行經(jīng)驗的積累是重要環(huán)節(jié)之一。由于研制中一直以現(xiàn)場安全可靠運行作為最終目標(biāo)，比較注重從實際中發(fā)現(xiàn)問題進而有效解決問題，首臺研制的樣機已經(jīng)在現(xiàn)場可靠運行有一年半了。圖12為該高壓三電平變頻器在現(xiàn)場運行的情況。該變頻器被用于一臺灰渣泵的調(diào)速，代替了原來的通過閥門和給水量的調(diào)節(jié)，根據(jù)水位的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了無人職守抽水量的自動控制，且節(jié)能降耗效果明顯。 5 結(jié)束語 （1）高壓大容量變頻器的基礎(chǔ)是高壓大容量開關(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、單件試驗以及系統(tǒng)試驗仔細(xì)地研究開關(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，必須針對開關(guān)過渡過程、分布參數(shù)、信號及功率延時等特性了解清楚。 （3）將系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性問題作為研究目標(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。