1250kW高压三电平变频器的研制及其应用
赵争鸣 白 华 张海涛 袁立强 张延安 杨 志
1 引言
随着能源问题的日益突出，节能问题愈来愈受到重视。据相关数据统计[1]，目前全国各类电动机总装机容量约为大于4亿kw，年耗电量约为15000亿kw·h，约占全国总发电量21870亿kw·h的65％。如果采用变频调速技术，平均节能潜力为14.8％(约2200亿kw·h)，相当于建成后的三峡工程两年的年发电量。国家在第十个五年计划中将“电机调速节能”列为重点之重，以总节能潜力1000亿kw·h为目标，计划组织500亿人民币来实施。国家已正式将“电机系统节能”列为“十一五”的十大节能工程之一。就目前我国的变频调速应用现状来看，2004年我国电动机采用变频调速技术的总容量仍不到电动机总装机容量的10％，市场潜力很大。
目前我国变频调速装置的研发和生产能力仍然相对较弱，尤其是对中高压变频器，由于其技术门坎高、资金投入大、研发周期长，一直是该研究领域的难点之一。但又由于中高压变频器的相对利润高，对国民经济影响大，节能效果明显，它又是该领域的技术和市场战略制高点所在。abb公司的数据显示(如图1)，目前中高压变频调速系统所占全行业的比例仅为3%，市场潜力相当巨大。
图1 中高压变频器所占份额
级联式高压变频器近几年有了较大的发展，但由于其内在的局限性，推广应用受到。中点嵌位式的三电平高压变频器由于具有所需器件少、控制相对简单、能量可双向流动、体积小、重量轻等优点，呈现出较大的应用前景。目前国际上主要以abb和西门子三电平变频器产品为代表。为加速我国自己的中高压变频调速装置的发展，2001年10月清华大学电机系与南京电力自动化设备总厂联合成立了清华南自电力电子应用技术联合研究所，专门进行三电平变频调速系统（包括高压大容量变频器和适用于变频调速的电机）研制。目前已经研制成功低压55kw/380v、160kw/380v系列和高压1250kw/3300v/6000v三电平变频器,均已投入现场使用。本文就1250kw/3300v/6000v系列三电平变频器的研制和应用情况进行介绍。
2 1250kw高压三电平变频器结构特点
典型的二极管箝位型三电平变频器拓扑结构如图2所示[2]。
图2 1250kw三电平变频器拓扑结构图
它与典型的两电平变频器相比主要有三点不同：每支桥臂上有四只开关器件；每支桥臂上还多了两只快恢二极管；两只快恢二极管的中点与直流母排电容中点相连。
另外，该三电平变频器采用空间矢量pwm（svpwm）开关调制方法，其中开关器件所处的运行条件有如下几个特点：
(1) 三电平中采用二极管箝位结构，具有直流母排中点电压偏移问题，使得三电平中的开关器件有可能实际承受电压不一样，甚至单个开关器件承受全部直流母排电压。
(2) 三电平的svpwm中，共有四组矢量可供选择：小矢量、中矢量、大矢量和零矢量。开关矢量组合可供选择的余度大，开关顺序不尽相同。
(3) 电平中的每个开关器件的通态和阻态时间随着开关矢量选择的不同有较大的区别，并且同一桥臂中的开关器件所具有的通态和阻态时间也不一样，一般来讲，内管比外管的通态时间长。
(4) 电平中开关器件的最小脉宽和死区设置时间与pwm调制方式密切相关，同时又受开关器件本身和电路拓扑的制约。
(5) 电平增加箝位二极管后，箝位二极管作为换流回路中的重要器件，换流回路不同，开关器件所处的回路以及回路参数不同，开关器件所承受的电应力不一样。
由于上述结构的差别，三电平变频器中的换流机理与两电平的换流机理存在较大差异。特别对于1250kw高压三电平变频器来说，由于容量大、电压高，一些原来在小容量变频器中不突出的现象变的突出了，例如：中点平衡问题、线路杂散参数、脉冲瞬态过程、最小脉宽和死区的最优搭配、器件连接线和接头、di/dt与dv/dt的影响、开关损耗、散热与冷却等。而其中的开关器件则为其设计和运行的关键。
本变频器中采用了新型的igct器件。igct是器件与驱动电路的总和。在igct中，一些主要驱动电路参数和功能都已经被标准化了。例如，开通电流和关断电压限值、开关延时、电流电压上升率、门极电路电感、门极驱动电流等。使用者不需要考虑它们的设置，需要考虑的仅仅是符合要求的驱动电源、控制信号的转换和恰当的机械装配，这些涉及到驱动电源的标准、隔离、光纤控制界面、控制信号、诊断和保护以及周边环境的设计原则和要求。igct结构如图3所示(四种型号)[3]。
图3 igct的四种型号外观图
相比于gto，igbt在结构上有多处改进：增加缓冲层，使开关速度加快；驱动集成化使开关速度加快；透明发射极也使驱动加快。
三者的作用都使开关速度加快，从而大大缩短不稳定的开关区域，减小误动作。因此，可以认为igct的关断过程只有两个阶段—晶闸管阶段和晶体管阶段，中间的gto过程大大缩短。由于这些特点，igct具有损耗小、门极驱动功率小、开通均匀、开关频率快、可集成有反并联二极管等优点。
3 清华南自1250kw高压三电平变频器研制情况
2002年清华南自联合研究所完成了380v/55kw三电平变频器样机的研制，当年参加了第五届国际电力电子、电气传动与自动化设备展览会。2002年10月在天津电传所国家电力传动检测中心通过了国家标准的全部30项测量项目。2003年完成380v/160kw样机研制，同年10月通过由教育部与江苏科委联合主持的科技成果鉴定和新产品鉴定。2004年获北京市科技进步二等奖,目前已有系列样式产品在现场运行。2003年开始,清华南自联
合研究所着手进行1250kw/6kv三电平变频器研制，2003年6月在南京电力自动化设备总厂建立了一座1250kw/3.3~6kv电压的高压大容量变频器试验平台;2004年完成1250kw/3.3kv/6kv三电平变频器样机，并完成了带630kw/ 3.3kv/6kv电机空载运行，取得了多项创新成果，形成多项专利技术。2005年4月完成输出滤波、闭环控制、失电跨越、预励磁及各种保护功能等试验，从2005年9月开始现场试运行。一直在某电厂带灰渣泵连续满载运行。图4为1250kw/6kv三电平变频器现场运行图。
图4 1250kw/6000v三电平变频器的运行现场
该1250kw/6kv三电平变频器基本数据和特点为：容量1550kva(适用于1250kw的电动机);输出电压0～3.3～6kv;频率0～55hz(分辨率0.01hz）;主电路采用三电平二极管箝位式拓扑结构，调制方式为三电平空间电压矢量pwm控制，开关器件采用igct。采取了有效的保持中点电压平衡措施。保护功能有过流、短路、直流过压、欠压、交流欠压、缺相、器件过热、上电及失电跨越等保护，并有故障代码显示及记忆功能。采用强制风冷的冷却方式(2.5m3/s，功率<1%输出功率)。该变频器研制过程中，取得了多项具有自主知识产权的关键技术。主要几点列举如下:
(1) 高协调功能的多dsp分布式控制系统
其结构框图如图5所示。主要特点是由多块dsp协制，之间通过双口ram进行交互，从而获得快速、准确的控制实施。难点在于主从dsp的数据共享和管理以及多dsp与外围设备的通讯管理。
图5 多dsp控制板的结构框图
( 2) 高可靠性的光纤can总线通讯技术
以往的can总线采用的是差分形式，总线上canh和canl之间的电位差表征传输的数据值。本变频器采用一种适合于光纤can网络的环状结构，以保证光路的畅通、灵敏和可靠，该can总线网络具有数据延迟最小，通讯灵活性较好，可靠性、抗扰动能力、容错能力较强。该can总线网络通讯框图如图6所示。
图6 can总线网络通讯框图
(3)高精度ad及快速ovvp组合板
ad模块实现被测电压、电流信号的有源滤波和采样，并经过模块中的dsp对采样结果进行处理，然后经过can通讯向主控板发送采样结果。ovvp部分则是组合板中的模拟电路，它通过模拟电路对主电路电压进行监控，当电压超过阈值时（实测），通过光纤向主控板直接报警，其响应时间小于1ms。其主要难点是低高压并存，emc设计很重要；另外数据采样和处理准确性和传输快速性要求很高。组合板的功能框图如图7所示。
图7 组合板的功能框图
(4) svpwm扇区变换平滑连接技术
本变频器采用svpwm方法进行开关调制，但由于扇区边缘效应，在扇区变换时会产生磁链中断现象。波形上出现较多的毛刺。研究出一种svpwm扇区变换平滑连接技术，较好地消除毛刺，得到干净的五电平输出线电压，前后比较如图8所示。
图8 输出线电压波形比较
(5) 逆变、整流串压装连接技术和散热器设计
因为该变频器中的逆变和整流部分均采用压装结构，其中的压装技术是一关键技术，压装的好坏直接影响开关器件的工作。其主要难点为保持各接触平面压力均衡和适量。压装串中的散热器既作为散热所用，又是连接igct的导体。对连接(压装)表面、通风口尺寸、承压强度、以及表面处理等都有较高要求。如图9所示。
图9 散热器结构及其连接
(6) pc机底层数据库设计
由于高压大容量变频器检测和保护要求高，各类信息流量大，外围设备连接多，要求变频器有丰富而可靠的数据库。本变频器的数据库由实时运行信息表、当前参数设置表、默认值表、系统状态记录表等构成。采用微软的数据库访问技术microsoft activex data object（ado）控件，拓宽程序的运行环境，同时配合c++builder各项便利的数据感知组件（data aware component）进行数据库应用程序的设计。数据库结构如图10所示。该数据库对于变频器的在线调试、运行监视、故障记录和诊断起到了非常重要的作用。
图10 数据库结构
4 1250kw高压三电平变频器的安全工作区应用
基于igct的高压三电平变频器实际运行时存在过压、过流、开通di/dt过大、直通、过热、过短的开通和关断时间、不正确的门极驱动电源(电压和绝缘)、不正确的安装压力、关断失效以及其它失效等故障。由于igct置身于三电平变频器之中，其损坏一般表现为短路，这些故障最后主要表现出来的都是中点电压严重偏移，变频器不能正常工作。因此，保证1250kw三电平变频器安全可靠运行的前提是保证igct运行在安全区域。
针对igct的特点，提出变频器安全运行区(safe operating area，soa)全保护概念:即在任何正常和非正常运行情况下，保证变频器中的igct都处在soa内，从而保证igct不被损坏。本1250kw变频器所用igct(型号为5shx14f4502)的soa由下述指标:电流上升速率 ＜425a/μs，电压变化率＜1000v/μs、最大可重复关断电流＜1100a，最大可重复开通电压＜4500v，开通和关断时间应该总是控制在10μs以下，以保证在运行时电流分布均匀。同时，还有igct的结温＜125℃。另外，设定变频器的欠压保护阈值为65％，
过流保护阈值为200％，母线过压保护阈值为130％。由此得到该变频器理想的soa和变频器的合理工作区如图11所示。图11中，mop为在不同电压等级时变频器工作区的极限点，moplimit1和2是合理的变频器工作区的极限点的边界，unselected和mopselected为优化结果，soa为安全工作区，oa为变频器工作区。因此，为使igct在运行时能被全保护，必须控制igct不能过流、过压以及电流电压的变化不能太快。在这样的安全运行区域内，igct得以安全运行，变频器也得以安全运行。
图11 igct的安全运行区
5 结论及前景展望
中高压大容量变频调速系统是实施有效节能的重要装备，是国家当前社会经济发展的急需。高压大容量变频调速技术是目前电力电子技术发展的前沿，是变频调速技术的制高点;目前正酝酿着重大突破，主要体现在器件和控制技术上。从本质上来说，中高压大容量变频调速技术是一项通用技术，其核心技术可用于所有电磁能量变换系统。在这其中，有
几项事项值得引起设计者的重视:
(1) 功率器件
包括可控型半导体开关器件、二极管、电容、电感、电阻及高压开关，设计人员必须了解其电气参数、静动态性能、封装尺寸等;
(2) 连接方式
包括线规、接头、接插件、杂散参数、绝缘等，在中高压大容量变频器中均具有特殊要求;
(3)结构设计
散热冷却和电磁干扰问题突出，必须按系统集成概念来设计;
(4) 场域分析
在变频器调速系统中，电磁热系统呈现分布的、三维的、时变的、多介质的、非线性的特点，必须进行场域分析;
(5)能量控制
系统中存在大能量短时释放，dv/dt和di/dt有重大影响，这其中制动、吸收、缓冲和保护环节尤为重要。
(6) 暂态过程
机械(秒级)、电磁(毫秒级)、电子(微秒级)、开关过程(纳秒级)并存，关于不同尺度的暂态过程研究需要有深入的研究。
作者：未知 点击： 次 [打印] [关闭] [返回顶部]
