摘要：本文介紹了基于三電平拓撲的大功率中壓變頻系統(tǒng)，單臺容量達8MVA，可以多臺并聯(lián)擴展。變頻器功率開關器件采用集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor），變頻器采用交-直-交背靠背拓撲，整流和逆變部分均為中點鉗位NPC（NeutralPointClamped）三電平結構。整流部分設計為有源前端AFE（ActiveFrontEnd），可以實現(xiàn)逆變器電能向電網(wǎng)回饋，逆變部分采用轉子磁量定向的矢量控制，可以達到高性能的調(diào)速指標。變頻器能夠四象限運行，所述系統(tǒng)不僅諧波含量小而且具有很好動態(tài)特性和調(diào)速精度,適用于調(diào)速范圍寬的驅動系統(tǒng)。

1引言

中高壓大容量變頻傳動系統(tǒng)廣泛應用于冶金、礦井提升、造紙、石油開采、船舶推進等多種工業(yè)場合，研制高性能的大功率變頻器對于節(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功率器件的性能和電路拓撲結構都有更高要求，因此難度更大。

采用多電平主電路結構是中高壓變頻器的一個重要發(fā)展方向。和兩電平結構相比，多電平結構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，諧波小）、開關損耗低和電壓變化率du/dt小等特點，非常適合高電壓、大功率的應用場合。目前常見的多電平結構有電壓源型中點鉗位三電平變頻器（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橋級聯(lián)變頻器（Series-connectedH-bridgevoltagesourceconverter，SCHBVSC），其中電壓源型中點鉗位三電平結構比其他結構具有較高的效率，因此在工業(yè)中應用較多。目前，國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。

我國在中高壓大功率變頻器方面的研究相對比較落后，過去主要以晶閘管作為功率器件，開發(fā)直流傳動裝置和交-交變頻傳動系統(tǒng)。這些裝置結構復雜、成本高，由于開關頻率較低，其控制性能和網(wǎng)側諧波較差。近十五年來，國內(nèi)的大容量變頻器開發(fā)有了突破性進展，北京利德華福電氣技術有限公司（已被施耐德電氣收購）、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橋級聯(lián)高壓變頻器，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司、徐州中礦傳動與自動化有限公司研制出基于IGBT的中壓三電平變頻器，電壓等級可達3kV。依靠價格優(yōu)勢，這些產(chǎn)品可以在一定程度上與國外產(chǎn)品競爭，但總體來看，國內(nèi)的中高壓變頻器品牌主要以H橋串聯(lián)形式為主，技術相對單一，多電平變頻器的研發(fā)和應用仍顯不足，技術水平比國外有較大差距。

為了提高國產(chǎn)大功率變頻技術的水平，擺脫國內(nèi)市場對進口技術和裝備的依賴，天津電氣科學研究院有限公司在多年大功率變頻技術積累的基礎上開展了對電壓源型中點鉗位三電平變頻器的研發(fā)工作。經(jīng)過兩年多的努力探索，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矢量控制技術和有源前端整流器控制技術等多項關鍵技術，已在國家電控配電設備產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心完成了2MW異步電機對拖試驗，實驗結果表明，該裝置具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能，填補了國內(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)設計

2.1功率主回路及其控制系統(tǒng)

變頻器的功率主回路結構如圖2所示。

圖2中，功率主回路采用雙PWM背靠背結構，變頻器可以四象限運行，有功功率既可從電網(wǎng)流向電動機，也可從電動機側流回電網(wǎng)。變頻器通過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)過有源前端整流單元整流，得到極性為正、負、零的直流電壓。有源前端整流單元采用PWM整流技術，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)。逆變器采用轉子磁鏈定向的矢量控制算法，提高了電機的動靜態(tài)性能和調(diào)速精度。直流環(huán)節(jié)為能耗制動部分，當直流電壓較高時，觸發(fā)晶閘管，通過電阻對直流放電，同時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通損耗和開關損耗都較低，非常適用于大功率中壓變頻技術。

2.2控制系統(tǒng)

為適應電氣傳動系統(tǒng)快速、實時性要求，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、工業(yè)現(xiàn)場自動控制、電氣設備及電源設備制造等需要數(shù)字信號處理器（DSP）的場合，該軟件中有自己的基本功能模塊庫，可以根據(jù)需要直接調(diào)用實現(xiàn)模塊化編程，同時可以將特定的功能以語言的形式編寫然后封裝塊，這增加了調(diào)試的靈活性。通過模塊化編寫的程序通用數(shù)字控制器（TGC）中的數(shù)字信號處理器完成代碼的編譯、代碼下載及DSP程序的運行狀態(tài)監(jiān)控。

通過合理配置核心硬件及相應的外圍接口，使之協(xié)調(diào)高效工作。控制器采用模塊化設計，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傳輸過程中的電磁干擾，信號的傳輸采用了新型實用且安全可靠的10M、100M高速光纖通訊電路，通過合理選型及設計采用了適宜工業(yè)運行的高速且容錯的編解碼技術，這種數(shù)字光纖通訊技術，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，只需選擇適當?shù)某绦蚬δ軌K拖到圖形編輯區(qū)，然后在對應的端子間連線，并設置相應參數(shù)即可，其操作過程與MATLAB/Simulink類似，易于系統(tǒng)設計工程人員掌握，因此顯著提高編程效率。除此之外，在對程序進行調(diào)試過程中可以對模塊的端子進行實時的檢測。

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檢測技術，主要包括：采用高壓直接檢測技術，安全可靠地采集主回路各類的高電壓信號；采用Σ/Δ的模數(shù)轉換方式實現(xiàn)高速、高精度的各種模擬量信號的數(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載（一般為電動機），速度的控制是逆變器控制的最終的目標，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，異步電機控制系統(tǒng)如圖5所示。控制系統(tǒng)采用轉子磁鏈定向的矢量控制方法，該算法具有轉矩平滑、脈動小、響應快等特點，適合高性能變頻控制系統(tǒng)。電機模型的預測是控制的重要部分，常用的建模方法有兩種：一種是根據(jù)電流矢量計算滑差頻率和負載角度、以及磁鏈，稱為電流模型；另一種是基于實際電動勢積分計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的控制，低速時電機的參數(shù)變化不明顯，并且在低速時候電動勢比較小，不利于模型的計算；電壓模型適合于高速時的控制，并且模型中對電機的參數(shù)的依賴很小，同時電機的電動勢較大，有助于提高模型的計算精度，因此在不同速度區(qū)間分別采用這兩種模型來做控制。

在實現(xiàn)圖5的功能時，電壓模型和電流模型之間的過渡控制是系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠工作的關鍵，其中磁鏈位置角的過渡尤為重要。在變頻器研制過程中，通過深入研究電壓模型和電流模型各自特點，反復試驗改進，實現(xiàn)了模型之間的平穩(wěn)過渡，同時在過渡區(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構，可以實現(xiàn)整流和逆變的功能。和傳統(tǒng)的整流技術相比，有源前端的整流技術不再是被動將交流轉換為直流，而是具備了“有源”功能，可以實現(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)電壓波動的影響，具有較好的動態(tài)特性。

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

圖6為有源前端在同步旋轉坐標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)構成雙閉環(huán)控制結構，直流電壓為電壓環(huán)的參考指令，其與實際反饋值的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作為有功電流給定的一部分，另一部分為負載電流作為前饋信號，前饋信號的引入是提高系統(tǒng)抗負載擾動的最直接有效的方法；無功電流的計算是功率因數(shù)控制環(huán)節(jié)，需要根據(jù)實際需求來確定。若裝置工作于功率因數(shù)整流狀態(tài)，則無功電流給定值為0。另外，為進一步消除較低次諧波，系統(tǒng)采用了特定諧波消除法（SHE-PWM）進行調(diào)制。

5變頻器試驗結果

為測試變頻器性能，在已有的實驗平臺上，對研制的變頻器的控制策略進行相關實驗試驗，實驗系統(tǒng)如圖7所示。系統(tǒng)實驗時，裝置1為主變頻器，采用轉速閉環(huán)控制，裝置2為副變頻器，采用轉矩閉環(huán)控制，作為加載使用。圖8記錄了裝置1轉速給定70％，裝置2轉矩給定為-80％的實驗工況，圖8實驗波形為裝置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)定運行，電流正弦度較好。

圖9為裝置1逆變器轉矩電流與電機轉速實際值，其中裝置2突加3秒50％負載轉矩。從圖中可以看出轉速具有良好的動態(tài)響應速度和穩(wěn)態(tài)精度。

6結論

本文介紹了天津電氣科學研究院有限公司研制的基于三電平拓撲的有源前端大功率中壓變頻器。三電平結構是中高壓大功率交流傳動技術的發(fā)展趨勢，西門子、ABB等國際知名公司在三電平變頻器的研制方面成績顯著，推出了高性能、系列化的產(chǎn)品。相比之下，我國在中高壓大功率三電平裝置方面的研發(fā)和應用仍顯不足，比國外同行有較大差距。最近，天津電氣科學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異步電機對拖試驗結果表明，該產(chǎn)品成功解決了中壓大功率三電平的多項關鍵技術，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)性能，填補了國內(nèi)IGCT三電平中壓變頻器研究的空白。