IGBT串聯的三電平風電變流器拓撲研究

王小濤，廖麗貞，趙 宇

(1.許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼柔性輸電系統公司，河南 許昌 461000)

IGBT串聯的三電平風電變流器拓撲研究

王小濤1，廖麗貞2，趙 宇3

(1.許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼柔性輸電系統公司，河南 許昌 461000)

三電平拓撲結構簡單可靠，但由于開關器件的耐壓水平限制，低壓單管IGBT拓撲的交流側輸出電壓、功率水平均較低。提出一種新型IGBT串聯的三電平風電變流器。首先，采用了T型三電平結構，并在正負母線回路中使用兩管1.7 kV的IGBT串聯，即可輸出3 kV的交流側電壓；其次，給出了IGBT串聯提高開關頻率的原理、IGBT串聯的保護與均壓方案。最后，建立了3 kV電壓等級的實驗平臺，驗證了IGBT串聯型三電平拓撲的有效性。

三電平拓撲；風電變流器；開關頻率；串聯均壓

0 引 言

隨著風力發電技術的迅速發展，風電變流器產品得到廣泛應用。國內外常見的風電變流器有雙饋型、全功率型，電壓等級從380 V到6 kV不等。對于高于1 kV以上的中壓型變流器，采用三電平、多電平拓撲具有優勢，可以提高輸出交流側電壓的正弦度、功率密度，提高電能質量。

目前，常見的中壓三電平變流器以二極管箝位型拓撲居多，例如ABB、艾默生等公司的風電系列產品。文獻[1]給出了3 kV全功率風電變流器的拓撲結構、設計參數，給出了機、網側變流器功率器件的損耗分析，并利用Matlab與GH Bladed軟件對系統進行了仿真分析。文獻[2]針對3 kV風電變流器，提出采用2個低壓IGBT、1個高壓IGBT串聯的二極管箝位型混合拓撲以降低器件損耗。此種拓撲結構較為復雜，3個IGBT的型號不同、驅動電路差異等因素導致均壓方案十分困難。并且僅進行了單相模塊的測試，未進行三相系統實驗，缺乏說服力。

考慮到T型三電平拓撲器件的損耗比二極管箝位型低，結構相對簡單、更容易擴展IGBT串聯回路,因此，提出一種T型三電平風電變流器，并在正負電平回路中使用兩管IGBT串聯。采用IGBT串聯后，單管承受的電壓降低一半，損耗也大幅降低。此種結構的優點是，既可以降低損耗、提高開關頻率，又可以降低開關器件的成本與電壓等級。進一步，給出了主回路參數的計算方法，并提出一種新型的運放+滯環電路相結合的有源電壓控制(active voltage control，AVC)方案對驅動板優化，改善器件串聯不均壓衡。仿真分析了IGBT串聯器件的保護方案特點，并介紹了SVPWM的調制方法。

最后，對3 kV/1.5 Mvar全功率三電平變流器的主回路拓撲、控制系統進行實物系統測試。結果表明，所提新型三電平變流器的IGBT均壓較佳，電流響應速度快，輸電流諧波含量小。

1 T型三電平全功率變流器的拓撲

1.1 主回路拓撲

以全功率背靠背型風電變流器為研究對象，可適用于永磁型發電機組，見圖1所示。圖1中，整個變流器包括網側、機側兩部分，可在四象限區域穩定運行。網側通過LCL型濾波器與電網連接，機側采用L型濾波器與永磁發電機組連接。

圖1 T型全功率風電變流器的拓撲結構

變流器的單相拓撲結構如圖2所示。圖2中，T型三電平結構將中點改為IGBT開關器件換流，可對IGBT進行控制實時切換正負電平。

圖2 單相T型三電平拓撲結構

圖2中，創新點在于在正負電平回路中采用了兩管IGBT串聯。其優點是，對于正負電平回路，單個IGBT所承受的正向阻斷電壓為UdcP或UdcN的一半。既可以降低IGBT的電壓型號，又降低期間損耗、提高開關頻率。

1.2 主回路的IGBT參數計算

交流側額定電壓Uline(peak)=4 242 V，額定電流Iphase(rms)=289 A。

以下給出IGBT參數的計算步驟。

1)設計直流母線電壓的參數。

直流母線電壓Udc的選擇，需要考慮到交流電壓水平、電抗器分壓等問題。由于采用了三電平SVPWM調制方案，故調制比k=1，采用式(1)計算Udc：

Udc=(1.1Uline(peak)+UL(peak))/1 =1.1×4 242+0.05×4 242 =4 878 V

(1)

式中，UL(peak)為等效電抗器分壓值。

因此，選取Udc=5 000 V。

則正負母線電壓為

UdcP=UdcN=2 500 V

(2)

2)計算IGBT的電壓、電流極限值。

考慮極端情況，即兩管串聯IGBT電壓偏差保護允許范圍，則單管IGBT承受的最大直流電壓為

umax=udc_sw+Δudc_half+Δuigbt

(3)

式中：udc_sw=1 250 V，為正負母線電壓的一半；Δudc_half=125 V，為正負母線電壓的波動(取5%)；Δuigbt=125 V，為IGBT器件不均壓保護范圍內的電壓差異(取udc_sw的10%)。

可得

umax=1 500 V

(4)

還要考慮電流的最大值，取1.2倍額定電流的過載能力：

Imax=1.2Ie=1.2×289=347 A

(5)

3)選擇合適的IGBT型號。

根據式(4)、式(5)的數據，選擇Infineon IGBT FF450R17IE4，該器件內置了反并聯二極管，電壓為1.7 kV，額定電流為450 A，可滿足電壓與電流要求。

以下通過IGBT的損耗計算，來說明IGBT串聯后提高開關頻率的可行性。常規的3.3 kV IGBT一般只能采用1 kHz的開關頻率，而采用兩管1.7 kV IGBT后，可適地提高開關頻率至1.5 kHz。

圖3 兩種結構的IGBT損耗曲線

首先，從穩態分析，在額定電流下串聯結構比單管結構的IGBT開關損耗大幅減小，參見圖3利用Infineon制造商提供的軟件仿真做的損耗分析。單管結構在頻率fs=1 500 Hz下很容易過溫，而串聯結構則不會因損耗大而過溫；其次，考慮暫態過程，即IGBT發生不均壓、過壓故障時，也不會因開關頻率高觸發過溫。因為，在保護時間內，過壓暫態是微秒級別，而溫度的時間尺度則是秒級。綜合分析，可根據IGBT電壓的利用率，相應地提高開關頻率fs=1.5 kHz。

2 IGBT串聯的均壓方案

開關器件的串聯可提高輸出電壓，但卻帶來器件之間的動態電壓不一致。例如，驅動硬件電路差異、脈沖不同步、器件等效阻抗差異等因素引起各器件開通、關斷暫態電壓的偏差。目前，串聯均壓技術可分為主動控制、間接控制兩大類[3-4]。主動控制方案指對驅動信號進行反饋閉環控制，間接控制主要指通過施加RC或RCD無源緩沖電路。一般采用這兩種技術結合的均壓方案效果較好。

采用主動控制+間接控制相結合的方案，其中，主動控制采用有源電壓控制，間接控制采用RC電路，見圖2中的RC。考慮到傳統有源電壓控制方案Vce外環單純運放電路的不足，采用運放電路+滯環電路對Vce外環控制進行改進。

圖4 有源電壓控制電路

3 IGBT串聯的故障保護方案

IGBT串聯的保護方案也需要改進：IGBT串聯時，當檢測到過流、過壓、短路故障不得由驅動板單獨關斷器件，而應由上級控制對兩管統一發送軟關斷信號。如圖2所示，具體的實現方案是，S1/S2、S3/S4管可以觸發故障，但應由上級控制電路同時關斷 IGBT。對S5、S6管，則可以由驅動板自行處理，立即關斷 IGBT并觸發故障信號。

以下對PWM脈沖不同步的故障進行分析?？紤]兩種類型的短路故障：Ⅰ是串聯IGBT在斷態短路，而后開通脈沖；Ⅱ是在通態直接進入短路狀態。圖5為采用Saber軟件搭建的兩管IGBT串聯Ⅱ類故障電路仿真。取直流電壓1 400 V、驅動電壓15 V，則單管承受的電壓為700 V。

圖5中，在t=15 μs后設置兩管IGBT的脈沖不一致。當t=15 μs后出現Ⅱ類故障，兩管的關斷速率不一致。IGBT2退飽和速率快，14 μs后自行檢測故障并關斷，則IGBT1管完全承受全部母線電壓，短路電流不再上升。t=80 μs時，再對兩管下發統一關斷信號，但IGBT1發生擎住效應無法關斷。

圖5 脈沖不同步故障仿真圖

4 SVPWM調制原理

考慮三電平結構的特點，如圖2所示單相橋臂中，通過控制IGBT可輸出0、1、-1三種電平狀態，因此，三相共存在27組不同的開關狀態。

采用了60°坐標系(g-h坐標系)來實現SVPWM調制方案。從矢量合成角度效果來看，實際有效電壓矢量總共是19組。首先，需要分析60°坐標系下基本空間電壓矢量在的分類，如圖6所示。

假設參考電壓矢量Uref在α-β坐標系中的坐標為(Uref_α，Uref_β)，則轉化到60°坐標系下的坐標為(Urg，Urh)。于是，2個坐標系間的變換關系如下：

(6)

圖6 60°坐標系下的空間矢量分類

由圖 6可知，在60°坐標系下所有矢量的坐標均為整數。對于任意的電壓矢量Uref，距離最近的4個基本矢量，可由60°坐標系下的坐標向上、向下取整得到。于是，可得Uref對應的4個基本矢量為

(7)

5 實驗分析

5.1 系統參數

為了驗證所提三電平拓撲的有效性，搭建了實驗平臺。三電平變流器的參數見表1。通過加載測試，對IGBT器件的串聯均壓、電流特性、PWM電壓等進行分析。采用泰克示波器對實驗波形匯總。

5.2 實驗結果

圖7中，左半軸為S1/S2、S3/S4管的開通波形，右半軸為關斷波形?？梢?，IGBT的開通時間約為3 μs，關斷時間約為4.5 μs。對于開通過程，雜散電感、開通電流應力的影響導致開通電壓出現超調，但超調幅度在6%以內。開通、關斷時兩管電壓偏差均小于3%，說明串聯電壓偏差得到迅速調整，均壓效果較好。

圖7 開通與關斷時IGBT的均壓波形

圖8 連續開關電壓波形

參數數值電網電壓/V3000網側LCL濾波器L1=1.2mHC1=60μFL2=0.6mH機側電抗器/mH1.2母線電容/mF15直流電壓/V5000額定電流/A289開關頻率/Hz1500

圖8為S1/S2、S3/S4管的連續脈沖波形。S1/S2管電壓在0～1 250 V之間脈動，則正電平回路的母線電壓約為2 500 V。同理，S3/S4管電壓在0～1 250 V之間脈動，則負電平回路的母線電壓約為2 500 V?？梢?，連續開關電壓也具有較好的均壓效果。

圖9 線電壓波形

圖9、圖10、圖11分別為變流器的PWM線電壓、輸出A相電流、THD值?？梢?，PWM線電壓為三電平，并具有較好的正弦度。在加載過程中，A相電流過渡平滑，未出現大幅超調，并且電流THD為3.1%，諧波含量小。這說明變流器具有較好的電壓、電流特性。

圖10 A相輸出電流波形

圖11 A相電流THD分析

6 結 論

對中壓風電變流器的T型三電平結構進行了研究，提出兩管IGBT串聯的新型結構。此種結構的優點是，降低了單管損耗與IGBT電壓型號，給出了IGBT串聯均壓的方案、保護方案、空間矢量調制原理。最后，建立了3 kV電壓等級的實驗平臺，通過電流的加載測試表明，新型變流器拓撲具備良好的電壓、電流輸出特性，滿足風電變流器的設計要求。

[1] 黃偉煌，胡書舉，許洪華. 中點鉗位型中壓三電平風電變流器的損耗分析[J].電力系統自動化，2014，38(15)：65-70.

[2] 陳根，王勇，蔡旭. 兆瓦級中壓風電變流器的新型串聯混合三電平NPC拓撲[J].中國電機工程學報，2013，33(9)：48-54.

[3] 查申森，鄭建勇. 混合式斷路器的IGBT串聯均壓技術[J].電網技術，2010，34(4)：177-182.

[4] Palmer P R，Rajamani H S. Active Voltage Control of IGBTs for High Power Applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(4)：894-901.

[5] 付超，石新春，王毅. 級聯型逆變器的空間矢量移相調制方法[J].電力電子技術，2005，39(5)：51-53.

The structure of three-level topology is simple and reliable, but due to the limit of withstand voltage level of switch devices, the AC output voltage and power of low-voltage single-tube IGBT topology are low. A new kind of three-level wind power converter with series-connected IGBTs is proposed. Firstly, two tubes are used in the positive and negative bus circuit of T type three-level structure and 1.7 kV IGBT is series connected to increase the output voltage to 3 kV. Secondly, this principle of series-connected IGBTs to improve switch frequency, and the schemes for IGBT series protection and series voltage balance are presented. Finally, 3 kV experiment platform is set up to verify the validity of three-level topology with series-connected IGBTs.

three-level topology; wind power converter; switch frequency; series voltage balance

TM614

A

1003-6954(2017)03-0086-05

王小濤(1982)，工程師，研究方向為風電機組控制系統開發與測試；

2017-01-16)

廖麗貞(1984)，工程師，研究方向為電網保護系統產品開發及測試。