摘 要 ：高壓大容量變頻調速系統是電力電子技術領域內的重要研究方向之一。本文針對作者所研發的基于IGCT的6kV/1250kW高壓三電平中點箝位式變頻器中的一些關鍵技術問題進行分析，并給出相關的仿真分析和試驗研究結果。 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GTO、IGCT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。 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。 （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。 （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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。