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采用IGCT电压型三电平逆变器的高压变频调速器

第 26 卷 第 20 期        2002 年 10 月 25 日

V o l 26 N o. 20 .        O ct. 25, 2002

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采用 IGCT 电压型三电平逆变器的高压变频调速器
( 11 清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京市 100084; 21 中山市明阳电器有限公司, 广东省中山市 528437)

刘文华1 , 宋 强1 , 严干贵1 , 陈远华1 , 于庆广1 , 吴步宁2

0 引言

大功率电力电子器件[ 1 ] 及大规模集成电路技术 的 发 展, 使 得 采 用 高—高 直 接 变 换 方 式 实 现 高 压 ( 6 kV , 10 kV ) 变频调速装置成为可能。 与高—低—高 变换方式的高压变频器相比, 高—高变频器具有体 积小、 重量轻、 效率高、 性能价格比更高等优点, 因而 得到越来越多的应用。 目前, 国内高压大容量变频器 主 要 依 靠 进 口, 主 要 厂 商 有 ROB ICON 公 司、 S IEM EN S 公司和 ABB 公司等。ROB ICON 公司的 产品主要采用单元串联单相桥式主电路结构[ 2 ]; ABB 公 司 的 产 品 采 用 集 成 门 极 换 向 型 晶 闸 管 ( IGCT ) 中点箝位 (N PC ) 电压型三电平逆变器[ 2, 3 ] , 但最高输出电压为 4. 16 kV ; S IEM EN S 公司的产 品采用 IGB T 串联运行的中点箝位电压型三电平逆 变 器[ 2, 4 ]。 国 内 也 有 几 家 公 司 推 出 了 采 用 基 于 112 kV~ 118 kV IGB T 器件的单元串联单相桥式 主电路结构的高压变频器产品, 这种主电路结构由 于 IGB T 器件数量多、 信号调制复杂而使得整体可 靠性较差, 其输出功率也因 IGB T 单管容量有限而 受到限制。 本文介绍了一种基于 IGCT 中点箝位电压型三 电平逆变器的 6 kV 1 800 kVA 高压变频调速装置 的实现。 输入侧采用 24 脉冲整流技术使交流输入侧 功率因数高达 0. 96, 输入电流总谐波畸变率 (THD ) 小于 5% ; 逆变部分采用电压型三电平逆变器, 开关 器件采用 415 kV IGCT 器件串联运行; 输出侧采用
收稿日期: 2002203204。

摘要: 集成门极换向型晶闸管 ( IGCT ) 的优良性能使其适合于实现高—高方式的高压变频调速装 置。 文中提出了基于 IGCT 中点箝位电压型三电平逆变器的高压变频调速装置主电路, 并给出了一 台 6 kV 1 800 kVA 高压变频调速装置的实现。装置交流输入侧采用变压器隔离的 24 脉冲整流电 路来保证输入侧功率因数大于 0. 96, 中间直流环节直流电压为 10 kV , 逆变部分采用中点箝位 (N PC ) 电压型三电平逆变器输出三相 6 kV 线电压, 每只开关器件由 2 只 415 kV IGCT 器件串联 构成。逆变器采用变频的特定谐波消除脉宽调制 (SH E 2PWM ) , 且输出侧采用 L C 滤波器来减小输 出电压的谐波畸变率及 d v d t。 装置采用 IGCT 作为电子开关进行输出过电流保护。 装置实验表明, 这种高压变频器具有很好的性能及可靠性。 关键词: 高压变频器; 集成门极换向型晶闸管; 特定谐波消除脉宽调制; 逆变器 中图分类号: TN 773; TM 51 中。

电 L C 滤波器减小 输 出 电 压、 流 谐 波 及 输 出 电 压 d v d t。该 装 置 的 实 现 技 术 可 应 用 于 6 kV 1 000 kVA ~ 6 000 kVA 系列高压变频调速装置

1 主电路结构

111 24 脉冲输入整流器 图 1 是将三相 6 kV 交流电压经变压器 TR 隔 离后经整流、 滤波而变成直流 10 kV 的 24 脉冲输入

整流器电路。

隔离变压器 TR 副边输出 4 组三相绕组, 原边 输入线电压为 6 kV 时, 副边每组绕组输出线电压 1175 kV , 且如图 1 所示, 每组绕组输出电压相对于 参考电压的相位依次为 0°15°30°45° , , , 。这样, 输入

图 1 交流输入 24 脉冲整流、 滤波电路 F ig 11 AC input 24- pulse rectif ier

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侧电流谐波主要集中在 23 次和 25 次, 只要输入变 压器漏抗设计合适, 就可以保证半载以上负载时, 输 入功率因数达到 0. 95 以上, 输入电流 THD 小于 5% 。 整流后直流电压达到 9 kV~ 10 kV , 从而保证 后级三电平逆变器输出线电压有效值达到 6 kV 。 为 了达到以上要求, 变压器副边绕组除需按图 1 所示 接 线 外, 其 匝 数 比 还 应 满 足 以 下 条 件: ①N A 1 = N B 1 = N C1 , N a1 = N b1 = N c1 , N a2 = N b2 = N c2 , N a3 = N b3 = N c3 , N a4 = N b4 = N c4 , N a5 = N b5 = N c5 , N a6 = N b6 = N c6; ②N A 1 ∶N a1 = 3. 43∶1, N A 1 ∶N a2 = 7. 26∶1; ③N A 1 ∶N a3 = 19. 88∶1, N A 1 ∶N a4 = 5. 94 ∶1; ④N A 1 ∶N a5 = 7. 26∶1, N A 1 ∶N a6 = 19. 88 ∶1。 4 个三相全波整流桥 BD 1, BD 2, BD 3, BD 4 的输 出串联, 并经电容 C 1 , C 2 滤波后构成 2 个额定电压 5 kV 的直流电压源 (DC + 与 DC0, DC0 与 DC - ) 。 SA , SB 均为耐压 9 kV 的 IGCT 器件, 分别由 2 个 耐压 415 kV 的 IGCT 器件串联而成。 SA 与 SB 分 别构成正负母线快速动作的过电流保护电子开关, 使得逆变器的运行更加安全。 R st, A 和 R st, B 起到在输 入合闸时抑制电容 C 1 和 C 2 的充电电流的作用。 112 NPC 电压型三电平逆变器 图 2 是正弦波输出 IGCT 电压型三电平逆变电 路。
图 2 采用 IGCT 串联运行的电压型三电平逆变电路 F ig. 2 NPC three- level inverter w ith IGCT runn ing in ser ies

 

路见图 3。L A + 和 L A - 分别为正负母线阳极电抗, 用 于抑制桥臂 IGCT 开通时的电流上升速度 d i d t, 使 其小于每只 IGCT 能承受的最大开通 d i d t。 R A + , 负 C A + , DA + 和 R A - , CA - , DA - 分别构成桥臂正、 端电压箝位电路。L A 与 C A , L B 与 C B , L C 与 C C 分别 构成 A , B , C 相输出电压滤波电路, 使得三相输出电 压接近正弦波。

图 3 串联 IGCT 及二极管器件静态与动态均压电路 F ig. 3 Voltage shar ing c ircu it for IGCT and d iode runn ing in ser ies

图 2 中直流母线 DC + , DC 0, DC - 来自图 1 的 输出。 逆变所用功率开关器件 SA 1~ SA 4, SB 1~ ~ SB 4, SC 1 SC 4 均为耐压 9 kV 的 IGCT , 分别由 2 个耐压为 415 kV 的 IGCT 器件串联而成。DA + , DA - , DA 1, DA 2, DB 1, DB 2, DC1, DC2 均为耐压 9 kV 的功率二极管, 分别由 2 个耐压 415 kV 的二 极管串联而成。 IGCT 优异的特性使得其串联运行均压电路很 简单。IGCT 和二极管串联运行的静态、 动态均压电

发生振荡电压幅值超过 10 kV 的自激振荡, 即电容 C 的选择应参考电动机的激磁电感参数。 如果逆变器突然停止工作, 由于惯性的作用, 电 机继续旋转, 同时, 滤波电容为电机定子提供了容性 电流, 这就使电机处于自励发电机的状态, 引起滤波 电容与电机之间的自激问题。 发生自激后自激电流 幅值不断增长, 电机端电压幅值也不断增长。 随着自 激电流的增长, 电机磁路发生饱和, 机端电压也达到 最高点。 随后转速逐渐下降, 机端电压也随之下降到 0。 在自激过程中, 如果自激电压过大, 会对功率开关 器件和电机造成损坏。 避免自激振荡的条件是: 1 C < 2Π X m f 式中: X m 为电机的激磁阻抗。 滤波电感 L 和电容 C 的选择应按以上约束条 件进行。

113 LC 滤波器

输出 L C 滤波器中电感 L 和电容 C 参数的选择 受以下条件的约束: ①电感器上基波电压降越小越 好。 ②电容器中的基波电流越小越好。 ③电感器和 电容器构成的串联谐振频率离逆变桥输出脉冲电压 ( 即 L C 滤波电路的输入电压) 中的最低次谐波频率 越远越好, 也就是使 L C 滤波器中的高次谐波电流 尽可能小。 C 滤波器谐振频率为: f C = 1 2Π L C 。 L ④在逆变桥脉冲突然封锁时, 电容 C 不能与电动机

2 特定谐波消除脉宽调制 ( SHE - PWM )

电压型三电平 PWM 逆变器的基本工作原理是 通过对桥臂上的功率开关器件进行脉宽调制控制,

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从而达到逆变器输出所期望的电压或电流波形。 以 下侧直流电压均为 V dc , 其输出电压 A 相为例, 若上、 可以表示如下: + V dc   SA 1、 2 导通, SA 3、 4 关断 SA SA V A , O =  0   SA 2、 3 导通, SA 1、 4 关断 SA SA - V dc   SA 3、 4 导通, SA 1、 2 关断 SA SA 为了更好地避免输出 L C 滤波器的谐振问题, 三电平逆变器的 PWM 采用变频的 SH E 2PWM 算 法。SH E 2PWM 的基本原理就是根据事先计算好的 开关角度, 控制各功率器件的开关时间, 使输出电压 在 V dc , 0, - V dc 之间变化, 达到所期望的输出电压波
图 4 NPC PWM 逆变器的 A 相输出电压波形 F ig. 4 O utput voltage waveform of pha se A in a NPC PWM inverter
N

式中: m = V 1m ax V dc , V 1m ax 为输出电压基波峰值, V dc 为三电平直流上、 下侧电容电压; n = 5, 7, …, M 。 如果选定 1 2 周期的脉冲数目为 N , 则线电压 中含有的最低谐波次数为 3N + 1。

3 控制与保护
高压变频装置的构成如图 5 所示。

形。 而开关角度的计算是基于在控制输出电压基波 分量的同时能够消除某些特定次数的谐波。 考虑到 IGCT 器件的开关特性, 将每一个周期 IGCT 的开 关次数按输出电压频率分段设置, 使得输出频率在 3 H z 50 H z 范围内变化时, IGCT 的开关频率在 ~ 250 H z 700 H z 范围内变化。 PWM 计算同时满足 ~ V 2F 控制的要求, 即按输出频率的变化改变调制 比。 4 为 1 4 周期内开关角度数N ( 即 1 2 周期内 图 的脉冲数) 分别为奇数和偶数时逆变器 A 相输出电 压波形, B 相和 C 相输出电压波形只是在相位上相 差 120° 240° 和 。
SH E 2PWM 的开关角度通过求解一组关于脉 冲触发角的非线性超越方程组得到[ 6 ] , 目的是消除 某一次数的谐波。 M 为可以选择消除的最高次谐 设 波, 当 N 为偶数时, M = 3N - 1; N 为奇数时, M = 3N - 2。 需求解的非线性方程如下:

图 5  VD 装置的构成框图 M F ig. 5 Conf igura tion of the M VD in sta lla tion

   

∑ (k= 1 N

∑ (k= 1

1) k + 1 co s Α = k

1) k + 1 co s n Α = 0 k

Π m 4

控制与监测功能由一台工业计算机及若干采 集 卡完成。 控制器采用自适应 V 2F 控制算法, 根据 电机转速、 逆变器直流电压及输出电流大小计算出 当前所需V , F 值, 并将V , F 值通过并口发给D SP 脉 冲发生器。 脉冲发生器根据 V , F 值将离线计算并存 储好的 6 路 SH E 2PWM 数据输出至脉冲分配与保护 板, 经其处理后输出给 24 只逆变 IGCT。 脉冲分配与保护板将 6 路脉冲进行反相、 增加 死区、 上下桥臂互锁、 增加最小开通时间与最小关断 时间等处理, 并通过 IGCT 故障诊断、 直流过电压与 欠电压保护、 输出过电流保护、 桥臂直通保护、 滤波 电容过电流保护等措施, 实现封锁脉冲与主开关跳 闸等操作。

4 试验结果

411 输出电压 图 6 为装置输出电压频率为 25 H z 时的输出线 电压波形及谐波频谱图, 输出电压 THD 为 4. 15% ; 图 7 为装置输出电压频率为 50 H z 时的输出线 电压波形及谐波频谱图, 输出电压 THD 为 2. 57% 。

装置输出电压谐波含量达到了设计要求。 412 封锁时的自激振荡 图 8 为装置带 6 kV 340 kW 电机在 50 H z 运 行时突然封锁逆变脉冲后滤波电容相电压自激振荡 波形。 线电压峰值达到 8 kV 并使直流电容电压上 升到 8 kV , 由前面的分析可知, 当电机容量增大时, 其激磁电感减小, 振荡电压应下降, 因而带更大容量 的电机运行时应是安全的。

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图 8 逆变脉冲封锁后自激振荡相电压波形 F ig. 8 Self - exc ited osc illa tion voltage waveform when the inverter stops work ing

图 6 输出电压频率为 25 Hz 时 的输出电压波形及谐波频谱 F ig. 6 O utput l ine - to - l ine voltage waveform and spectrum of l ine - to - l ine voltage of 25 Hz

图 7 输出电压频率为 50 Hz 时 的输出电压波形及谐波频谱 F ig. 7 O utput l ine - to - l ine voltage waveform and spectrum of l ine - to - l ine voltage of 50 Hz

5 结语
IGCT 优异的开关特性及串联运行特性使得采 用 N PC 电压型三电平逆变器实现 6 kV 1 800 kVA

高压变频调速装置非常成功, 装置达到了高输入功

率因数、 低输入电流谐波、 正弦输出电压波形、 高效 率及高可靠性等性能。 采用 SH E 2PWM 及正确设计 稳定运行的关键。 L C 滤波器是保证逆变器安全、

参考文献

1 刘 文 华, 胡 雨 辰, 刘   炳, 等 (L iu W enhua, H u Yuchen, L iu

B ing, et al). IGCT 和 ICGT ——适用于 STA TCOM 的新型大功

率 开 关 器 件 ( IGCT and IEGT —— N ew H igh Pow er Silicon
( A u tom ation of E lectric Pow er System s) , 2000, 24 (23) : 66~

Sw itches Su itab le fo r STA TCOM ). 70

电 力 系 统 自 动 化

2 Shakw eh Y. N ew B reed of M ed ium V o ltage Converters. Pow er

~ Eng ineering Jou rnal, 2000 (2) : 12 20

3 Steim er P K , Steinke J K , Grun ing H E. A R eliab le, In terface 2 friend ly M ed ium V o ltage D rive Based on the Robu st IGCT and 1999. Phoen ix, A rizona (U SA ) : 1999. 1505 1512 ~ . D TC T echno log ies In: P roc of IEEE I S A nnual M eeting A 4 Somm er R , M erten s A , Grigg s M , et al N ew M ed ium V o ltage . w ith H igh V o ltage IGBT. In: P roc of IEEE I S A nnualM eeting A 1999. Phoen ix, A rizona (U SA ) : 1999. 1513 1519 ~ Inverter. D rive System U sing T h ree L evel N eu tral Po in t C lam p ed Inverter 5 N abae A , T akahassh i I, A kag i H. A N ew N eu tral Po in ted C lam p ed PWM IEEE T ran s on Ind A pp l, 1981, 17 (5) : 518 523 ~ 6 Sun J ian, Gro tsto llen H. So lving N on linear Equation s fo r Selective H arm on ic E lim inated PWM U sing P red icted In itial 259 264 ~ . V alues. In: IEEE Pow er E lectron ics and M o tion Con tro l 1992.

刘文华 ( 1968—) , 男, 博士, 从事电力电子技术及柔性交

流输配电系统的研究工作。 E 2 a il: L iu. w en. hua@ 263. net m 宋 强 ( 1975—) , 男, 博士研究生, 从事电力电子技术及 柔性交流输配电系统的研究工作。 严干贵 ( 1971—) , 男, 博士研究生, 从事电力电子技术及 柔性交流输配电系统的研究工作。

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M ED IUM VOL TAGE D R IVE W ITH NPC THREE -L EVEL INVERTER US ING IGCTS
1 1 1 1 1 2 L iu W enhua Ψ ong Q iang ΨY an Gang u i ΨC hen Y uanhua ΨY u Q ing g uang ΨW u B un ing S

AbstractΠ In the gam e of tran sm ission line investm en t Κm aybe there is no p u re stra tegic N a sh equ ilib rium o r m o re than one . N a sh equ ilib ria. It is difficu lt fo r investo rs to m ake decision s under these situa tion s In th is p a rt the concep t of m ixed stra tegies is in troduced Κ and an equ ilib rium ana lysis m ethod is p ropo sed Κw h ich is ba sed on i p roved genetic a lgo rithm s and m su itab le fo r tran sm ission investm en t decision 2 ak ing. N um erica l resu lt show s tha t m ixed stra tegy equ ilib ria po in t cou ld m fo reca st each p layer’s action in the fo rm of p robab ility Κ and it is u sefu l fo r investo rs to m ake fu rther decision s w hen there is no p u re stra tegy N a sh equ ilib rium. T he resu lt a lso show s tha t each p a rticip an t’s stra tegy is in teractive Κ and any change of investm en t info rm a tion cou ld affect the fina l resu lt of the gam e. T h is p ro ject is jo in tly suppo rted by N a tiona l Key B a sic R esea rch Sp ecia l Fund of Ch ina ;N o. G1998020307 ΓΚN a tiona l N a tu ra l Science Founda tion of Ch ina ; N o. 50177022 Γ and T each ing and R esea rch Aw a rd P rogram fo r O u tstanding Young T eachers in H igher Educa tion In stitu tion s of M O E Κ P. R. C. AbstractΠ T h is p ap er ana lyzes the ha rm on ics p rob lem s in the low 2vo ltage pow er system. T he ha rm on ics m agn ifying m u st be taken in to accoun t w hen the genera l com p en sa tion fo r its ha rm on ics does no t exceed the na tiona l standa rd and som e relevan t m ea su res shou ld be ca rried ou t. Fo r tho se ha rm on ics exceeding the na tiona l standa rd Κ the ha rm on ics eli ina tion schem e m shou ld be designed firstly Κ and then com b ing w ith som e p ractica l pow er system s a C 2typ e pow er filter is u sed to com p en sa te the reactive pow er and the th ree 2 ha se unba lance. T he com p en sa tion resu lt verifies soundness of the p ropo sed m ethod. p . T h is p ro ject is suppo rted by N a tiona l N a tu ra l Science Founda tion of Ch ina ;N o. 69772007Γ Key wordsΠ low 2vo ltage pow er system Μha rm on ics m agn ifying Μha rm on ics eli ina tion m Key wordsΠ gam e theo ry Μtran sm ission exp an sion Μgenetic a lgo rithm Μ a sh equ ilib rium N

. AbstractΠ T he excellen t cha racteristics of IGCT m ake it su itab le fo r i p lem en ting m edium vo ltage drive ;M VD Γ T h is p ap er m p ropo ses the m a in circu it structu re of M VD ba sed on neu tra l po in t clam p ed ; N PC Γ th ree 2level inverter u sing IGCT sΚthe i p lem en ta tion of a 6 kV 1 800 kVA M VD is a lso in troduced. To en su re an inp u t pow er facto r above 0. 96Κ the 242 u lse m p rectifier is u sed in the u tility side Κ the DC vo ltage is 10 kV and the sw itch ing com ponen t of the th ree 2level inverter is . com po sed of tw o 415 kV IGCT s runn ing in series T he ou tp u t ha rm on ics and dv d t is supp ressed by L C filter and the selective ha rm on ic eli ina ted PWM ; SH E 2PWM Γ is em p loyed fo r the inverter to en su re the safe op era tion of the ou tp u t L C m filter. T he fa st ou tp u t over cu rren t p ro tection is fu lfilled by IGCT com ponen t. V a riou s tests ha s p roved the h igh level of reliab ility and robu stness of the in sta lla tion. Key wordsΠM VD Μ IGCT ΜSH E 2PWM Μinverter

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NASH EQU I IBR IUM IN THE GAM E O F TRANS ISS I N EXPANS I N L M O O Part Two   ixed Stra tegy Na sh Equ il ibr ium M
W ang C heng shan ΨJ i X ing quan ; T ian jin U n iversity Κ T ian jin 300072ΚCh ina Γ

( 上接第 46 页 con t inued from p age 46)

HARMO N ICS EL I INAT I N IN COM PENSAT I N O F REACT IVE M O O POW ER AND UNBALANC ING POW ER SY STEM
ΨL a i S heng li1 ΨY ang J ie1 ; 1. Sou th Ch ina U n iversity of T echno logyΚ Guangzhou 510641Κ ina Γ Ch ; 2. Guangzhou U n iversity Κ Guangzhou 510405Κ ina Γ Ch
L i X ing uang
1Ψ 2

; 11 T singhua U n iversity ΚB eijing 100084Κ ina Γ Ch ; 21 Zhongshan M ingyang E lectric A pp liances Co L td Κ Zhongshan 528437Κ ina Γ Ch


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