基于IGCT器件的變流器功率試驗方法研究

姜一達，王自滿，楊敬然，蔡保海，平兆娜

(天津電氣科學研究院有限公司 天津300180)

隨著電力電子技術的發展，一些大功率電力電子器件，比如GTO、IGCT、HV-IGBT相繼出現。它們應用于冶金、礦井提升、造紙、石油開采、船舶推進等多種工業場合，帶動了中壓大功率變頻及其相關行業的發展。研制高性能的大功率變頻器對于節能降耗、全面提升工業水平具有重要意義[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撲結構都有很高的要求。IGCT功率器件作為ABB的專利產品[2]，具有GTO和IGBT的優點，以及開關速度快、通態電流大和高耐壓特性，非常適合中壓大功率變頻應用。多電平技術也是中高壓變頻器的一個重要發展方向，該結構降低了功率器件的耐壓要求，具有輸出電壓電能質量好(波形接近正弦，諧波小)、開關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。

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-交變頻傳動系統為主。近些年來，國內交-直-交大容量變頻器有了突破性進展，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用在工業現場。

然而，變頻器產品的開發過程難度大，除了設計方案以外，還需要進行完整的試驗驗證，主要包括型式試驗、驗收試驗和現場調試等。功率試驗作為一項重要的型式試驗，其溫升指標反映了變頻器的工藝結構、電氣設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、試驗設備成本高的問題。本文介紹了一種適應于交-直-交變頻器的等效功率試驗方法，具有試驗系統簡單、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調制引起的諧波成分，僅僅考慮基波分量，并且不計交流側電阻。其中，Ug表示電網電壓，Ur表示整流器輸出電壓，Xt表示網側電感。根據PWM整流器工作原理介紹[4]，以電網矢量Ug為參考，控制整流器輸出電壓矢量Ur可以實現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

負載電感電壓電流關系：

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功率因數為±1的工況，而且在功率因數為±1附近很難滿足輸出電流的要求，這主要是因為負載電壓很小，負載電感電阻和死區效應的影響增加，從而影響負載電流的輸出。除此之外，負載電感的參數還要非常小，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調整為±1。參見圖2，若要調整功率因數角為零，且負載電流大小不變，可以減小A的模值，同時增大B的模值，進而實現A相模塊功率因數為1的工況，同理對于功率因數為-1的工況也可以進行類似的調整。

2 功率試驗方案

2.1 基于三電平拓撲的功率試驗主回路分析

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

圖3 基于三電平拓撲的功率試驗主回路 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)，考慮負載電感為10%，額定電流下負載電感的壓降為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 = °。在負載試驗中，電流的流向為直流電容C1/C2經A相功率器件流入負載電感，然后經過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 控制系統實現

天津電氣院開發出了新型的高性能數字控制器TGC，可以滿足實時性要求較高的電氣傳動控制系統。該控制器硬件部分以“DSP+FPGA+ARM”為核心構架。PWM脈沖驅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

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

3 試驗臺驗證

根據IGCT緩沖電路參數的相關計算公式[6]，設計了功率單元模塊器件參數，搭建了如圖3所示的功率試驗臺，相關參數如表1所列。

表1 系統試驗參數表 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，此時電流穩定輸出；運行一段時間后，在t=t2時，將相位差設定為零，負載電流隨著相位差的減小而減小；在t=t3時相位差變為零，試驗 結束。

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系和變流器工作在功率因數為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；試驗臺的投入設備為負載電感、成本較低的二極管整流橋以及升壓變壓器，建設成本低。

綜上所述，該試驗方案有效解決了大功率設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。