單元串聯型高壓變頻器的開發研究

唐麗嬋， 陳江洪， 湯雪華

（上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海200070）

隨著我國節能減排政策的推動和高壓電動機容量快速地增長，高壓變頻器越來越引起人們的重視，尤其在我國面對資源緊張，提倡綠色環保的新形勢下，加快高壓變頻器技術的研發就顯得尤為重要。目前，高壓變頻器在我國許多能耗產業都得到了推廣應用，如石油、電廠及冶金行業等，對降低我國的工業能耗具有重大意義。但是，我國中高壓變頻調速技術還不成熟，許多場合應用的變頻器仍依賴國外進口。面對國內巨大的市場需求，開發變頻節能裝置，并推廣應用，在提高生產效率及節約能源方面具有重大意義。由于單元串聯型高壓變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，且采用模塊化設計，具有維修簡單等優勢，故該結構高壓變頻器已逐漸成為高壓變頻調速的主流方案。本文基于單元串聯型拓撲結構，自主研發了容量為200kW的3kV高壓變頻器。

1 高壓變頻器硬件系統設計

1.1 單元串聯型高壓變頻器的拓撲結構

單元串聯型高壓變頻器采用若干個低壓脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）變頻功率單元串聯的方式，實現了高壓輸出。該高壓變頻器的硬件系統主要由功率單元、光纖通訊板、主控數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）板及人機界面（Human Machine Intreface，HMI）組成，其拓撲結構如圖1所示。3kV電網電壓經過移相變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出為交—直—交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元的輸出串聯起來，實現變頻器的高壓輸出。該高壓變頻器的每相由6個額定電壓為289V的功率單元串聯而成，輸出相電壓為1 732V，線電壓約為3kV，電壓疊加如圖2所示。

圖1 3kV高壓變頻器拓撲結構

圖2 功率單元串聯電壓疊加圖

該變頻器采用整個功率單元串聯的結構，而非傳統的器件串聯的方式，器件承受的最高電壓為功率單元內直流母線的電壓，此方式避開了電力電子器件耐壓不足的難題，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯，所以不存在由器件串聯引起的均壓問題。由于串聯的功率單元較多，對單元本身的可靠性要求較高，控制系統電路需要實時產生多路脈沖去控制各個功率單元中絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipdar Transister，IGBT）的運行，所以控制系統的實時性要求很高，在設計中采用了高可靠的現場可編程邏輯門陣列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）作為功率單元的智能控制器，實現全方位的快速響應及各種保護功能。功率單元的輸入是移相變壓器，變壓器二次繞組采用移相接法，實現多重化，可抑制輸入電流諧波。輸出采用多電平移相式脈沖寬度調制方式，從而可以降低輸出電壓諧波，使得輸出電壓的波形非常接近正弦波。變頻器每相的輸出是由該相的6個功率單元串聯疊加得到的，雖然每個功率單元輸出的都是相同等幅PWM波形，但輸出波形相互間有一定相位偏移，所以串聯疊加后，變頻器輸出側得到的是正弦階梯狀PWM波形；對于每相有N個功率單元的單元串聯多電平高壓變頻器，輸出相電壓有2N＋1個電平，線電壓有4N＋1個電平，由于電平數增多，使得電壓變化率du／dt減小。這種單元串聯多電平拓撲結構的高壓變頻器可以解決兩個技術難題：① 高可靠性，每一個功率單元都相當于一個小型的低壓變頻器，每相的電壓由功率單元的輸出電壓疊加而成，當一個功率單元出現故障后，只會使相電壓降低，通過旁路切除后系統能繼續運行。② 此種結構的高壓變頻裝置解決了對電網的污染問題。

1.2 功率單元

1.2.1 功率單元設計

功率單元是單元串聯型高壓變頻器的核心部件。它是三相輸入單相輸出的交—直—交PWM電壓型逆變器的構造，由移相變壓器的一組二次繞組供電。變壓器的二次繞組之間是完全隔離的；因此，功率單元之間也是相互絕緣的［1］。

功率單元主要由熔斷器、三相全橋整流器、電容器、IGBT逆變電路以及旁路保護電路等組成［2］，結構如圖3所示。整流側用二極管進行不可控全波整流，將交流電變為直流電，中間利用電解電容濾波和儲能；逆變部分為4個IGBT組成的H橋式單相逆變電路，使輸出端口L1和L2側輸出單相等幅的交流PWM電壓波形。各功率單元具有完全相同的結構，具有互換性。

圖3 功率單元原理圖

功率單元采用正弦波脈寬調制（Sinusodial PWM，SPWM）方式，控制4個IGBT Q1～Q4的導通和關斷，輸出單相脈寬調制波形，由圖3可知，每個功率單元僅有3種可能的輸出電壓狀態：當Q1和Q4導通時，L1和L2的輸出電壓為高電平；當Q2和Q3導通時，L1和L2的輸出電壓為低電平；當Q1和Q3或者Q2和Q4導通時，L1和L2的輸出也是低電平。功率單元具有單元旁路功能。當某一個功率單元不能正常工作時，晶閘管SCR輸入高電平，使得晶閘管導通，L1和L2端的輸出電壓為零，該功率單元及其另外兩相相應位置上的功率單元將會自動旁路，以保證變頻器連續工作，并發出旁路報警。功率單元旁路時，變頻器因為運行的功率單元數量減少，額定輸出電壓能力將降低，但當變頻器本身運行頻率較低時，變頻器將自動提高工作單元的輸出電壓，而保證變頻器輸出性能不變，實現無擾動自動旁路［3－4］。

每相串聯的6個功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但該6個單元的載波之間互相錯開一個電角度，同一相6個功率單元互差60°／6＝10°的電角度。如圖4所示，6個功率單元的輸出電壓波形，疊加后該相的輸出電壓有0，±U，±2U，±3U，±4U，±5U，±6U共13種電平，從電壓疊加之后的波形可以看出，該波形非常接近正弦波。

圖4 變頻器的功率單元輸出波形及相電壓疊加波形

1.2.2 功率單元控制板設計

每個功率單元中均有一塊功率單元控制板，可實現IGBT驅動，功率單元狀態信息的采集、處理以及通過光纖與主控串行通訊。功率單元控制板由電源模塊、FPGA控制模塊、通訊與I／O模塊、PWM驅動模塊、AD采樣模塊、AD信號調理模塊共6個模塊組成，如圖5所示。

（1）電源模塊。根據各功能模塊的需求，提供12V、5V、3.3V、1.5V等多個電壓軌，同時采用 TPS 3307－33DGN電源監測芯片，對FPGA的電源和復位進行監控。

（2）FPGA控制模塊。FPGA采用Actel公司的A 3P250－2PQ 208I，可靠性高，特別適用于惡劣的工業環境。

（3）通訊與I／O模塊。采用抗電磁干擾的光纖傳輸通訊接口，選用的是Avago的R 2521／R 1521系列，通訊速率達5Mbps；同時提供光耦隔離輸出的脈沖I／O信號，提供給脈沖驅動板，控制可控硅的導通。

（4）PWM模塊。提供光耦隔離的PWM信號，送到IGBT驅動模塊；同時，將IGBT驅動模塊送交的報警和故障信號反饋給FPGA控制模塊。

（5）AD采樣模塊。采用ADS 7842E芯片，將AD調理電路送上來的AD值，送到FPGA控制模塊。

（6）AD信號調理模塊。該模塊有2個功能：① 采集兩路信號，一路是功率單元直流母線值，另一路是功率單元交流輸出值，調理后送到AD采樣芯片；②將兩路信號與預設值（直流母線電壓上限和交流輸出電壓上限）比較，直接輸出數字I／O到FPGA控制模塊。

圖5 功率單元控制板功能框圖

2 高壓變頻器控制與監控系統設計

2.1 控制系統設計

控制系統設計的主要任務是完成DSP主控板的程序設計以及與HMI的通訊。其中，DSP主控部分基于TMS 320F28335平臺開發。

主控制板DSP主要實現如下功能：①與功率單元通訊，控制功率單元的工作，并實時傳輸功率單元的運行狀態。②根據外部邏輯和控制信號，啟動、停止變頻器。③在變頻器運行過程中調節輸出電壓、限制電流、控制輸出頻率。④實時檢測設備的報警和故障，并采取對應的保護動作，確保整個變頻調速系統的安全。⑤根據HMI的設定，更改控制參數，并向HMI傳輸變頻器當前的重要工作參數。

主控制板DSP程序主要包括主循環程序以及PWM中斷子程序組成。系統在上電時完成初始化器件配置，更新中斷向量表，進入PWM中斷子程序，在該中斷程序中，讀取各功率單元的電壓、電流等各種信息數據進行故障分析處理，計算PWM占空比，再由串口將收到的數據進行處理。其主循環與PWM中斷流程圖如圖6所示。

2.2 監控系統設計

所設計的監控系統主要由HMI、電壓電流互感器檢測模塊（Phase Voltage Transformer Current Transformer，PTCT）遠程I／O、通訊模塊，光纖觸發模塊組成，其結構如圖7所示。

HMI與主控板DSP之間采用RS－485串行通信方式，將變頻器所有的運行數據和參數在觸摸屏上進行實時顯示。系統中設計了本地與遠程控制兩種方式。在操作模式為本地控制時，通過HMI來對整個系統進行操作，實現對高壓變頻器的啟動／停止、復位、運行頻率等參數的設定；在操作模式為遠程控制時，HMI只是作為當前系統運行狀態的顯示，通過Modbus RTU協議，實現與主控DSP和MOXA的遠程IO通訊，在遠程控制柜上對變頻器進行啟動，運行以及急停等操作。

圖6 程序流程圖

圖7 監控系統圖

3 高壓變頻器整機結構設計

高壓變頻器整機結構主要由變壓器柜、功率單元柜和控制柜組成（如圖8（a）所示）。移相變壓器安裝于變壓器柜內，電網電壓經移相變壓器后為每個功率單元供電。功率單元放置于功率單元柜內，是高壓變頻器頻率變換的主要工作部件，實現多脈沖寬度整流輸入和高壓變頻輸出［5］。在該柜體中，使用可方便更換功率單元的掛鉤滑動連接（如圖8（b）所示），保證了強度，縮小了體積，確保了產品的一致性、互換性。由于在結構上精心設計以及高效散熱器的研制開發，本裝置的柜體尺寸比起其他相同容量的高壓變頻裝置要小得多，這對于需變頻改造而又場地狹小的用戶尤其重要。控制柜為變頻裝置的核心控制部件，控制變頻器的運行、停止、變頻等。圖8（c）為課題開發完成的高壓變頻器樣機。

圖8 高壓變頻器樣機

4 結 論

本課題經過對單元串聯型高壓變頻裝置拓撲結構的研究，設計了功率單元及控制系統等，開發出一種采用單元串聯多電平方式具有節能效率高、低諧波污染的高壓變頻器，并形成自主知識產權的高壓變頻器技術體系。系統設計完成后，進行了整機的空載與負載試驗，建立了總負荷達200kW的高壓電動機—發電機組的試驗臺。如圖9所示，樣機最大試驗負荷200kW，累計試驗約7個多月，近千小時，驗證了該樣機的可靠性。

圖9 高壓變頻器整機試驗實景圖

通過長時間的滿負載運行測試，總結該自主研發的高壓變頻器具有以下特點：① 變頻器采用低壓器件組成多個功率單元串聯，提高電壓等級，實現高壓輸出。② 輸出的波形為多重PWM波疊加形成，其諧波含量非常小，近似于標準的正弦波形。③輸入部分是由多脈沖整流器和移相變壓器構成高功率因數整流型拓樸結構，功率輸入因數可以達到0.95以上。④ 各功率單元與主控單元之間使用光纖通訊，解決了線路存在的耐壓問題和抗干擾問題，提高了通訊速度，減少了連接線路，實現功率單元與主控單元之間的雙向通訊。⑤ 具有非常完善的保護功能，當功率單元發生故障時，實現快速自動旁路，提高設備運行可靠性。

［1］孟少飛.高壓變頻器的研究與設計［D］.濟南：山東大學，2011：43－47.

［2］虞曉林.電廠風機節能研究與改造［J］.水利電力機械，2007，10（29）：22－24.

［3］劉同仁.變頻器的選型及配置要點［J］.山東煤炭科技，2010，（6）：57－59.

［4］程仁海.高壓變頻技術在火電廠中應用研究［D］.南京：東南大學，2011：23－26.

［5］丁 偉.高壓變頻調速控制策略及實現技術的研究［D］.長沙：湖南大學，2009：9－11.