姜一達(dá)，王自滿，楊敬然，蔡保海，平兆娜

(天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津300180)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一些大功率電力電子器件，比如GTO、IGCT、HV-IGBT相繼出現(xiàn)。它們應(yīng)用于冶金、礦井提升、造紙、石油開采、船舶推進(jìn)等多種工業(yè)場合，帶動了中壓大功率變頻及其相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。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[1]。但是，中高壓大容量變頻器的研制對功率器件的性能和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有很高的要求。IGCT功率器件作為ABB的專利產(chǎn)品[2]，具有GTO和IGBT的優(yōu)點，以及開關(guān)速度快、通態(tài)電流大和高耐壓特性，非常適合中壓大功率變頻應(yīng)用。多電平技術(shù)也是中高壓變頻器的一個重要發(fā)展方向，該結(jié)構(gòu)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(guān)損耗低和電壓變化率du/dt小等特點。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SM150系列，均具有較高的性能指標(biāo)。

我國在中高壓大功率變頻器方面的研究相對落后，過去主要以直流傳動裝置和交-交變頻傳動系統(tǒng)為主。近些年來，國內(nèi)交-直-交大容量變頻器有了突破性進(jìn)展，深圳禾望HD8000、匯川HD33、株洲所TGCS6000以及天傳所TMV1系列中壓變頻器均成功應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場。

然而，變頻器產(chǎn)品的開發(fā)過程難度大，除了設(shè)計方案以外，還需要進(jìn)行完整的試驗驗證，主要包括型式試驗、驗收試驗和現(xiàn)場調(diào)試等。功率試驗作為一項重要的型式試驗，其溫升指標(biāo)反映了變頻器的工藝結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計水平以及故障隱患等問題。常用的變頻器試驗方法主要有等效法溫升試驗、模擬法溫升試驗、機(jī)組對拖回饋法溫升試驗等[3]。中壓大功率變頻器型式試驗采用以上方案，均面臨功率損耗大、試驗設(shè)備成本高的問題。本文介紹了一種適應(yīng)于交-直-交變頻器的等效功率試驗方法，具有試驗系統(tǒng)簡單、投入少、損耗低、操作靈活等特點。

1 功率試驗原理介紹

圖1表示了PWM整流器等效電路，該等效電路忽略PWM調(diào)制引起的諧波成分，僅僅考慮基波分量，并且不計交流側(cè)電阻。其中，Ug表示電網(wǎng)電壓，Ur表示整流器輸出電壓，Xt表示網(wǎng)側(cè)電感。根據(jù)PWM整流器工作原理介紹[4]，以電網(wǎng)矢量Ug為參考，控制整流器輸出電壓矢量Ur可以實現(xiàn)PWM整流器在四象限運行。

圖1 PWM整流器等效電路模型 Fig.1 Equivalent circuit model of PWM rectifier

圖2 功率試驗矢量圖 Fig.2 Vector diagram of power test

負(fù)載電感電壓電流關(guān)系：

由式(1)和(2)可得：

以上討論的是兩相輸出電壓模值相同、改變相位差的情況。這種控制方式不能實現(xiàn)功率因數(shù)為±1的工況，而且在功率因數(shù)為±1附近很難滿足輸出電流的要求，這主要是因為負(fù)載電壓很小，負(fù)載電感電阻和死區(qū)效應(yīng)的影響增加，從而影響負(fù)載電流的輸出。除此之外，負(fù)載電感的參數(shù)還要非常小，這無疑增加了試驗的難度。為了解決以上問題，增加一個幅值差的控制，通過改變幅值差將功率因數(shù)調(diào)整為±1。參見圖2，若要調(diào)整功率因數(shù)角為零，且負(fù)載電流大小不變，可以減小A的模值，同時增大B的模值，進(jìn)而實現(xiàn)A相模塊功率因數(shù)為1的工況，同理對于功率因數(shù)為-1的工況也可以進(jìn)行類似的調(diào)整。

2 功率試驗方案

2.1 基于三電平拓?fù)涞墓β试囼炛骰芈贩治?/h3>

圖3為基于IGCT的三電平拓?fù)渥冾l器功率試驗主回路，整流電源部分采用“雙副邊升壓變壓器+整流橋串聯(lián)”方式輸出直流電壓，C1和C2為直流回路支撐電容，起到穩(wěn)定直流電壓的作用。圖中虛線框中表示的是2個相模塊，L為負(fù)載電感，連接2個相模塊的交流輸出。在控制系統(tǒng)中，控制A相和B相模塊的IGCT器件的觸發(fā)時序，可以得到相應(yīng)的實際輸出電壓，A、B相模塊的輸出電壓加在負(fù)載電感上，即可產(chǎn)生同頻的交流電流。

圖3 基于三電平拓?fù)涞墓β试囼炛骰芈?Fig.3 Main circuit of power test based on three-level topology

以8MVA三電平變頻器功率試驗為例，輸出電壓3.3kV，額定電流1.4kA(峰值電流2kA)，考慮負(fù)載電感為10%，額定電流下負(fù)載電感的壓降為10%，計算公式為：

式中：Ub表示額定線電壓有效值，kV；Ib表示額定相電流有效值，kA；ωb表示交流電壓額定角頻率，rad/s。

可得L＝433μH，實際選取500μH。在直流電壓4.8kV、調(diào)制電壓模值為100%的工況下，由公式(3)可以得到角度差 7.5θΔ = °。在負(fù)載試驗中，電流的流向為直流電容C1/C2經(jīng)A相功率器件流入負(fù)載電感，然后經(jīng)過B相的功率器件流回直流電容C1/C2。電流在直流電容和負(fù)載電感之間流動，屬于無功功率，整個實驗臺的功率損耗主要包括功率模塊損耗、變壓器損耗和負(fù)載電感電阻損耗。實測2個功率單元損耗為106kW；變壓器損耗很小可以忽略不計；負(fù)載電感等效電阻為10mΩ，損耗為20kW。故試驗臺總損耗約為130kW。

2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

天津電氣院開發(fā)出了新型的高性能數(shù)字控制器TGC，可以滿足實時性要求較高的電氣傳動控制系統(tǒng)。該控制器硬件部分以“DSP+FPGA+ARM”為核心構(gòu)架。PWM脈沖驅(qū)動采用光纖通信電路，保證了功率部分與控制部分的絕緣，克服信號傳輸過程中的電磁干擾。采用了圖形化編程的TGCS軟件[5]，支持基本功能塊建宏，增加了調(diào)試的靈活性。

圖4 功率試驗控制算法框圖 Fig.4 Block diagram of power test algorithm

為了實現(xiàn)大功率變頻器的試驗，借助以上開發(fā)平臺，按照功能進(jìn)行了劃分。如圖4所示，在DSP上利用TGCS軟件實現(xiàn)A相和B相的工頻正弦電壓給定，可調(diào)節(jié)的電壓模值用于功率因數(shù)微調(diào)。電壓的相位差采用電流反饋“峰值”控制模式，設(shè)定角度差值限幅為7.5°，逐漸增加相位差，直到反饋電流的峰值大于電流設(shè)定值，則鎖存相位差，保證了兩相電壓的穩(wěn)定輸出。FPGA芯片主要用于處理實時性要求高的 任務(wù)，如載波比較的PWM驅(qū)動信號生成、瞬時電流信號采集及故障檢測等。

3 試驗臺驗證

根據(jù)IGCT緩沖電路參數(shù)的相關(guān)計算公式[6]，設(shè)計了功率單元模塊器件參數(shù)，搭建了如圖3所示的功率試驗臺，相關(guān)參數(shù)如表1所列。

表1 系統(tǒng)試驗參數(shù)表 Tab.1 Experimental parameters

圖5表示功率試驗啟動和停止過程中相位差的變化情況。在t=t0時，PWM脈沖解封，角度逐漸增加，負(fù)載電流隨角度的增加而增加；t=t1時，實際電流大于給定電流時相位差被鎖存大約為7.5°，與理論計算值相符合，此時電流穩(wěn)定輸出；運行一段時間后，在t=t2時，將相位差設(shè)定為零，負(fù)載電流隨著相位差的減小而減??；在t=t3時相位差變?yōu)榱?，試?結(jié)束。

圖5 功率試驗啟停過程波形 Fig.5 Waveform of start-stop process of power test

圖6中CH1表示的是負(fù)載電流(1kA/格)；CH2表示的A相輸出電壓(2kV/格)。電流波形基本保持正弦輸出。電壓和電流的基波相位關(guān)系和變流器工作在功率因數(shù)為1的實際工況相符，具有很好的驗證效果。

圖6 功率試驗波形 Fig.6 Waveform of power test

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于IGCT的大功率變流器功率試驗的方法，并進(jìn)行了理論分析，最后通過試驗驗證了該方法的正確性和可行性。以8MVA變頻器功率試驗為例，整個功率試驗臺的損耗僅有130kW；試驗臺的投入設(shè)備為負(fù)載電感、成本較低的二極管整流橋以及升壓變壓器，建設(shè)成本低。

綜上所述，該試驗方案有效解決了大功率設(shè)備功率試驗功率損耗大、試驗場地大、試驗場地成本高的問題。