IGCT器件与高压变频器

IGCT器件与高压变频器摘要：高压大容量变频调速系统是电力电子技术领域内的重要研究方向之一。本文针对作者所研发的基于IGCT的6kV/1250kW高压三电平中点箝位式变频器中的一些关键技术问题进行分析，并给出相关的仿真分析和试验研究结果。1引言近年来，我国变频调速装置的研发和生产能力在不断的提高，应用水平也有长足的进步。目前正在向高性能和高压大容量方向发展。研制中高压变频器一直是热点之一，但由于其技术门坎高、资金投入大、研发周期长，也一直是该研究领域的难点之一。目前所采用的高压大容量变频器拓扑结构主要有：●电容飞跨式；●单元级联式，即所谓的Robicon结构;●二极管中点箝位（NPC）式，国际上以ABB和Siemens的产品为代表。相比之下，由于二极管箝位式结构需要器件比较少，结构紧凑，控制算法简洁、易于实现系统四象限运行而可以作为高端变频器使用等特点而被日益重视。但是由于该结构直接采用高压开关器件（如GTO、IGCT或高压IGBT等）作为开关工作单元，高压特征明显，器件承荷余量减小，对系统参数的配置要求提高，特别原来在中小容量和低压系统中不突出的能量瞬态过程和分布参数影响变得突出，致使研制难度增加，风险增大，进而成为高压大容量电力电子变换器的难点问题之一。我国对高压（3kV以上）大容量（1000kW以上）的三电平NPC变频调速系统的研制仍处于初步阶段。为加速我国自己的高端中高压变频调速装置的发展，2001年10月清华大学电机系与国电南京自动化股份有限公司联合成立了清华南自电力电子应用技术联合研究所，专门针对高压大容量三电平NPC变频调速系统进行了研制。2004年研制出基于IGCT的二极管箝位式6kV/550～1250kW三电平变频器样机，2005年实现了现场长期无故障满载运行，2006年通过了国家级技术检测部门的全部型式试验和部委级的技术和产品鉴定，目前已全面走向市场。回顾五年多的研发历程，走过了一条从理论到实践，再从实践到理论的探索过程。尤其是对高压大容量电力电子变换装置中的关键问题理解有了进一步认识，浅肤之识，与大家一起分享。2基于IGCT三电平NPC变频器主要结构特点由于高压大容量变频器的电压高、电流大，相应的电压电流变化率也大，回路分布参数影响大，使得该类变频器在开关器件的选择、器件之间的连线、吸收电路元件参数的匹配、波形调制以及滤波处理等方面与低压中小容量变频器有很大的区别。因此，结构上也有很大的不同。本文所研制的变频器结构原理图如图1所示。图1基于IGCT的二极管箝位式6kV/550～1250kW三电平变频调速系统它在结构上有以下几个主要特点：（1）采用IGCT作为主开关器件，且采用压装结构采用IGCT作为主开关器件，且采用压装结构，如图2所示。其中，分立散热器一方面为IGCT散热和压装结构的支撑设备，另一方面也是连接两个IGCT的导体。图2基于IGCT的三电平NPC高压变频器结构实物图（2）三相桥臂共用两套di/dt吸收电路三相桥臂共用两套di/dt吸收电路（Ls、Rs和Cs），如图1所示。（3）直流母排与逆变回路通过层叠扁铜排相连直流母排与逆变回路通过层叠扁铜排相连，如图3所示。图3直流母排连线实物图（4）控制系统采用多CPU和光纤CAN总线通讯系统控制系统采用多CPU和光纤CAN总线通讯系统，如图4所示。图4多CPU主控制板（a）和CAN总线通讯板（b）（5）输出采用滤波与升压一体化结构输出采用滤波与升压一体化结构，如图5所示。图5集成式的升压LC滤波系统正是由于这些结构上的特点,而凸现出一些必须解决的关键技术问题。3若干关键技术问题分析高压大容量变频器涉及的关键技术很多，本文就几个主要的关键问题进行叙述和分析。3.1IGCT安全工作区的有效设置要提高大容量电力电子装置可靠性，需要特别关注半导体开关器件的特性，同时研究器件的应用特性与电力电子装置中其它元素之间的关系，由此来设计和优化电力电子装置的拓扑、结构和控制策略等。通常器件应用手册中关于器件各类电特性的约束往往是基于特定的单管测试电路，其中某些关键参数（如杂散电感）在实际应用中由于结构设计的问题，很难保证与测试电路完全一致。而且，实际电路拓扑与半导体测试电路差异较大，往往涉及到多个开关管之间的相互作用和相互联系。同时，运行工况、负载特性以及器件参数的差异，使得性能优良的器件装备在特定装置、运行在特定装置中时并不一定会提升装置的可靠性，即通常意义下单个开关器件的安全工作区（以下简称SOA）并不总是适用于整个装置，甚至在实际应用中要作较大的修正。在基于IGCT的高压大容量变频调速研究中，围绕IGCT和二极管等开关器件进行设计和分析，提出了变换器全运行范围安全工作区定义，即以IGCT的安全工作区为基础，给出了IGCT安全运行与变换器安全运行的量化关系，并以此直接对变换器的额定工作点、控制方式、保护措施、结构杂散参数要求以及损耗和效率等进行优化，优化示意图如图6所示。在优化的过程中，综合使用了包括三电平变频器中点电压平衡与控制参数约束、开关器件损耗建模与变频器运行状况综合分析等多项具有自主知识产权的专利技术。实际应用中取得了良好的效果，大大减少了装置的故障率。图6全运行范围安全工作区在优化设计的应用3.2输出少谐波的混合调制高压变频器由于变换功率大，开关频率一般比较小，因而输出谐波比较大。采用常规的正弦PWM（SPWM）和空间矢量PWM（SVPWM）都难以解决输出谐波大的问题。特定消谐PWM（SHEPWM）属于优化PWM，通过优化开关时刻，可以用较少的开关次数得到较好的谐波特性。其主要优点是：在同样的开关次数下，输出波形质量高，转矩和电流脉动小;降低了对滤波器的要求，可以减小滤波器体积;在同样的波形质量下，开关次数低，损耗小，尤其适合采用GTO和IGCT等对开关频率有限制的高压大功率场合；直流母线电压利用率高。缺点是开关角度固定，需要离线计算，难以在线实现，控制不够灵活，尤其是低频时由于开关角度较多，对存储量要求较高。本系统采用混合PWM方法，即低频时采用异步SVPWM，高频时采用SHEPWM，避免了高频时SVPWM谐波特性变差和SHEPWM在低频时存储量大的缺点，充分发挥了二者的优点，使变频器在整个工作范围内都可以有效抑制低次谐波，得到较好的输出波形。实现的难点在于衔接问题，需要确保二者间的平滑过渡以保证混合调制的适用性。为了解决这个问题，采用固定角度切换的方法。假定切换时刻的运行频率为45Hz，对于SVPWM，开关频率为600Hz，在参考矢量频率为45Hz时，在一个周期内参考矢量在360°空间内采样600/45=13.33次，其中必定有一次落入0～28°区间，仅当参考矢量落入这个区间内时才由SVPWM切换至SHEPWM。而从SHEPWM切换至SVPWM时，也仅当A相的相位落入某一固定角度区间时才切换至SVPWM。由于切换位置固定，其现象和行为是可重复的，在理论分析的基础上，通过实验对其进行微调，可以得到满意的结果。试验结果如图7所示，其中上面的为变频器输出线电压，下面的为变频器输出相电流。图7SVPWM和SHEPWM在45Hz切换时的逆变器输出电压和电流3.3集成式滤波升压系统设计高压大容量变频调速系统的可靠应用目前更多的受限于半导体器件的制作和组装工艺。本系统采用高压三电平NPC变频器中的IGCT器件耐压等级为4.5kV，这样的结构最大输出线电压只能为3.3kV。除了输出升压至6kV是一个难题外，由于开关频率低，系统输出的电压、电流波形中存在着大量的谐波成分也是一个主要问题。这些谐波成分引入电机会带来严重的热效应；同时，PWM波形中较陡的上升（下降）沿带来了较大的dv/dt，将直接威胁到电机绝缘，并通过线路中的耦合电容产生轴电流和电磁干扰，电压等级越高越严重。因此，需要引入滤波装置加以滤波，常见的如RLC滤波器。如何将3.3kV/1250kW交流变频调速系统直接应用于6kV输出的系统，除了有效升压外，还要尽量平滑输出电压波形，减小电压THD。为此采用了升压变压器的原副边等效漏电感进行滤波的新型结构，并通过在大、小容量样机中的试验对比验证此种设计方案的有效性。原理结构如图8所示。图8高压大容量中的滤波升压装置仿真滤波效果如图9所示。由图9可见，输出谐波被大大减小。图9高压大容量LC滤波效果仿真评估3.4基于杂散参数计算的最小脉宽设计最小脉宽是指为保证开关器件完全安全开通和关断工作而设置的门极控制信号的最小脉宽时间。最小脉宽除受开关器件本身最高工作频率限制外，还与外部电路工作状态如吸收电路和均压电路等有关。通常文献中所说的最小脉宽仅指单管最小脉宽，包括通态最小脉宽（tONMIN）和断态最小脉宽（tOFFMIN）。在本系统中，由于采用了三相逆变桥臂共用一套吸收电路，则在两个相邻桥臂的换流过程之间也必须要加入相间最小脉宽（tMIN），以保证在每相桥臂换流之前所共用的吸收电路处于稳定状态。因此，最小脉宽的设置是器件和装置安全可靠运行的关键之一。由于开关过程中影响最大的是其首端脉冲和回流回路的过渡过程，这些参数又由回路杂散参数决定。因此，最小脉宽的设计必须基于回路的杂散参数计算。这是难题之一。图10即为IGCT开关过程中的电压电流试验波形。一般都需要根据大量的试验波形来确定最小脉宽的设置。图10IGCT电压和负载电流实测波形3.4基于多重校验的高可靠性CAN总线光纤通讯的多CPU协调控制由于高压变频调速系统外围设备较多，输入输出关系复杂，且自身保护和功能较多，因而其控制系统也比较复杂。实际中，它们由分工不同的子系统单元组成，如有多个控制版（主控板、输入输出板、手控盘、AD版等）构成的多CPU系统。各单元之间的通信通过CAN总线完成，CAN总线集中分布在主控制单元附近。除了主控制单元之外，其余各单元的CAN控制器与CAN收发器之间均采用光纤作为通信介质。实际应用中，通讯的实时性和可靠性成为关键问题之一。编制了快速发送流程，以使中断程序在最短的时间内启动发送，保证了保护动作信号通信的实时性；编制的发送流程还考虑了对上层程序配置的邮箱数据域的保护和恢复，对于发送失败的情况进行重新发送，保证了程序逻辑的严密性及通信的可靠性。优化后的通信系统在长时间运行中稳定可靠，保护信号传送快速及时。系统运行时CAN总线上的波形如图11所示。图11CAN总线电压波形从图11（a）可看到数据采集单元定时发送给主控制单元的包含电压电流采样值的数据帧，图中较密集处还可看到IO单元不定时发送的数据帧及主控制单元返回的数据帧。从图11（b）可观察到，保护动作时CAN总线通信比较频繁，保护时的外围继电器动作对CAN总线造成了明显的干扰，但CAN通信还能正常进行。4现场试验运行问题高压大容量变频器现场运行与实验室运行有很大的差别。现场运行中的问题更是其系统能安全可靠运行的关键问题之一。现场碰到的问题大概有：（1）高低温变化大现场环境温度最高可到+50℃，最低可到-30℃。温度的变化对装置中的元器件特性有很大的影响。（2）振动噪声大由于装置要在现场长期带载运行，冷却风扇等带来的振动使一些连接件（线）松懈或断裂，都有可能引起毁灭性的损害。（3）灰尘和潮湿现场灰尘大，尤其是对IGCT这样的集成式的器件，其驱动板以及主控板上的灰尘以及潮湿都易引起器件会线路短路而失效。（4）电磁干扰大由于现场一般都是强电场区域，且受多方面影响，电源电压波动也很大，容易造成装置运行失效。上述问题是影响高压变频器在现场正常运行的重要问题，并且也是研制装置中必须解决的问题。以前都认为是一些工艺或者是保护等非电力电子本身技术问题，实际上这些问题包含了电力电子技术中的一些深层次的理论问题，如极端条件下的开关器件特性研究，变频器的失电跨越，分布参数带来的时延影响，系统中的共模和差模问题等。这些研究仍在进行中，现场运行经验的积累是重要环节之一。由于研制中一直以现场安全可靠运行作为最终目标，比较注重从实际中发现问题进而有效解决问题，首台研制的样机已经在现场可靠运行有一年半了。图12为该高压三电平变频器在现场运行的情况。该变频器