基于IGCT的大功率五電平中點鉗位/H橋變流器

蘭志明 王成勝 段 巍 楊瓊濤 李 凡

基于IGCT的大功率五電平中點鉗位/H橋變流器

蘭志明1,2王成勝2段 巍2楊瓊濤2李 凡2

（1. 冶金自動化研究設計院 北京 100071 2. 北京金自天正智能控制股份有限公司 北京 100070）

將三電平中點鉗位（NPC）交直交變流技術和H橋級聯技術相結合的五電平NPC/H橋變流器可以實現更高等級的輸出電壓和容量。該文研究基于集成門極換向晶閘管（IGCT）的大功率五電平NPC/H橋變流器的主電路拓撲結構，并采用模塊化結構設計方式減少了雜散參數。在變流器輸出中低頻時采用一種改進型載波層疊正弦脈寬調制（IPD-SPWM）方法，并提出一種解決低調制度時最小脈寬問題的方法。在變頻器輸出高頻時采用特定諧波消除脈寬調制（SHEPWM）方法來減小輸出電壓的總諧波畸變率（THD），并給出計算的開關角度軌跡。實驗結果驗證了該文研制的變流器所采用的拓撲結構設計和調制方法的可行性，表明變流器達到了設計要求，具有良好的性能。

集成門極換向晶閘管 中點鉗位（NPC）/H橋 五電平 正弦脈寬調制 特定諧波消除脈寬調制

0 引言

近年來，中高壓大功率變流器在能源與電能變換、風能及光能等新能源接入、節能減排等國家能源戰略中起到重要作用[1]，并廣泛應用于大型油氣管道輸送、液化天然氣壓縮、大型風洞驅動、艦船推進等領域[2]。而在對控制精度和性能要求更高的場合，交直交變流器逐步取代交交變流器成為主流[3]。例如，在大型空氣壓縮機中，大功率高壓同步電機成為普遍的選擇，其容量一般能達到幾兆瓦至數十兆瓦。因而，基于集成門極換向晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）的大功率變流器驅動系統成為一個有力的解決方案[4]。

IGCT屬于電流控制型半導體器件[5]，因其更高的開關頻率（可達1kHz）、更低的通態損耗和斷態損耗、更簡單的門極驅動電路等優勢[6]，取代了門極關斷晶閘管（Gate Turn-Off thyristor, GTO）在中高壓大容量交直交變流器領域中的地位，并得到了廣泛應用[7]。為提高效率，大功率變流器通常采用增加額定電壓的方式來減少通態損耗。受電力電子器件耐壓等級的限制，多電平拓撲結構成為大功率交流傳動領域的首選方案[8]。將三電平中點鉗位（Neutral-Point-Clamped, NPC）交直交變流技術和H橋級聯技術相結合可以實現變流器輸出更高等級的電壓和容量[9]。

本文研究了基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器，設計了變流器的主電路拓撲結構，采用功率模塊化結構設計減少主電路中的雜散電感。該變流器在低頻輸出時采用一種改進型載波層疊正弦脈寬調制（Improved Phase Disposition-Sinusoidal Pulse Width Modulation, IPD-SPWM）策略，且提出了一種低調制度時解決最小脈寬問題的方法。在高頻輸出時變流器采用特定諧波消除脈寬調制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation, SHEPWM）方法，減小開關次數的同時具有良好的諧波特性[10]。所研制的變流器已在大型軸流空氣壓縮機上進行工程示范應用。實驗結果驗證了變流器所采用的拓撲結構設計和脈寬調制方法的可行性，同時表明了所研制的變流器達到了設計要求，具有良好的性能。

1 變流器主電路設計

1.1 變流器拓撲

本文研究的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器的主電路拓撲如圖1所示。電網電壓經過變壓器輸入到變流器的整流電路。變流器包含三相相對獨立的功率電路，每相電路都包含整流電路、直流電容、逆變電路及其他所需要的輔助電路部分。整流電路采用兩組三相二極管不控整流橋，相當于12脈波不控整流。變流器三相電路的6組整流橋需要進線變壓器提供6組輸出作為整流的進線。變流器采用兩臺四繞組移相變壓器，變壓器一次側分別采用三角形聯結和星形聯結，相位相差30°。每臺移相變壓器的3個二次繞組輸出相位分別相差20°。通過這種方式，可達到等效36脈波不控整流電路的諧波消除效果，減小了入網電流的諧波畸變率。每相的逆變電路由兩個三電平NPC橋臂組成H橋結構，其中左橋臂的輸出連接到三相逆變公共端，右橋臂的輸出作為變流器的該相輸出。

圖1 IGCT五電平NPC/H橋變流器拓撲

本文研制的大功率變流器，采用型號為5SHY35L4520的IGCT功率器件，規格為4 500V/ 4 000A。變流器單相直流額定電壓5kV，采用改進型載波層疊正弦脈寬調制（IPD-SPWM）且注入零序諧波時，其輸出線電壓提高15.5%，可達到6 900V的設計要求，輸出相電流有效值可達到1.7kA，容量可達到20MV·A。

1.2 模塊化結構設計

本文所研究的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器，在研制中采用了模塊化結構設計方式，將變流器中的三相二極管整流單元、直流電容、IGCT三電平NPC功率橋臂等，都設計成緊湊的功率模塊，可以有效減小變流器線路的雜散參數，同時也減小了變流器的體積，提高了功率密度，且便于后期的維修和替換。以IGCT三電平NPC功率橋臂為例，每個橋臂中含有4個主開關功率器件IGCT，4個反并聯續流二極管，兩個中點鉗位二極管，兩組由電阻、電感、電容和二極管組成的RLCD緩沖吸收電路，最終設計的包含IGCT門極電源及水冷管路在內的三電平NPC功率模塊如圖2所示。

圖2 IGCT三電平NPC功率模塊

功率模塊中的IGCT在2 500V、2 500A時的開關實驗波形如圖3所示。關斷時端電壓的第一尖峰約為3 300V，第二尖峰約為3 700V，而采用的IGCT器件的安全關斷電壓峰值為4 500V，保留有較大的安全裕度。這表明，IGCT功率單元采用的緩沖吸收電路參數和結構設計合理，能夠保證變流器在額定電壓和電流下安全運行。

圖3 IGCT開關實驗波形

2 變流器PWM策略

在確定的變流器主電路拓撲結構下，決定變流器性能的關鍵技術就是脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）技術[11]。可應用于五電平NPC/H橋拓撲的PWM方法很多，主要有載波層疊正弦脈寬調制、改進型載波層疊正弦脈寬調制、空間矢量脈寬調制、特定諧波消除脈寬調制等方法[12]。本文從各個調制方法的實現難易程度、諧波特性、中點平衡能力等多方面考慮，最終確定了變頻器在中低頻輸出時采用改進型載波層疊正弦脈寬調制（IPD- SPWM）、高頻輸出時采用特定諧波消除脈寬調制（SHEPWM）的混合調制方案。

2.1 IPD-SPWM

兩電平H橋電路通常采用一個載波和兩個相差180°的調制波進行調制，實現輸出電壓等效開關頻率提高一倍。這種倍頻PWM技術可以進行一定調整后引入到五電平NPC/H橋單元中[13]。通過兩個同相層疊的載波和兩個相差180°的調制波調制就可以實現五電平NPC/H橋單元輸出倍頻的目的。兩個相位相反的調制波分別用來調制變流器每相的兩個三電平NPC橋臂。這種方法被稱作改進型載波層疊（Improved Phase Disposition, IPD）調制[14]。

假設變流器理想的三相調制電壓分別為u、v和w，為了提高直流電壓利用率從而提高交流輸出電壓，可以在調制電壓中加入式（1）的零序偏置電壓，將直流電壓利用率提高15.5%。

式中，max( ) 和min( ) 分別為求取三相調制電壓的最大值和最小值。將三相調制電壓分別疊加式（1）中的零序偏置電壓，得到變流器最終三相的輸出橋臂調制電壓ru+、rv+和rw+；將其取反，就可以得到三相中公共輸出橋臂的調制電壓ru-、rv-和rw，其表達式分別為

以變流器U相為例，IPD-SPWM原理如圖4所示，兩個橋臂的調制波ru+和ru-分別與上下載波c1和c2進行調制。當調制波大于兩個載波c1、c2時，橋臂輸出正電平；當調制波小于上載波c1而大于下載波c2時，橋臂輸出零電平；當調制波小于載波c1和c2時，橋臂輸出負電平。

圖4 IPD-SPWM原理

變流器低壓實驗中，調制度分別為0.3和0.85時，U相電壓實驗波形如圖5所示。圖中從上到下，分別為U相左橋臂電壓、右橋臂電壓和相輸出電壓波形。調制度為0.3較低時輸出相電壓為三電平，此時線電壓為五電平。調制度為0.85較高時輸出相電壓為五電平，此時線電壓為九電平。

圖5 變流器U相電壓實驗波形

2.2 低調制度優化調制策略

IGCT器件由于開關速度的限制，有最小脈寬的要求。當脈寬小于某閾值時，器件便可能無法正常開關，不能產生正確的PWM電壓波形，且容易損壞器件。在IPD-SPWM策略中，調制度很低時，調制波幅值小，調制時容易產生小于閾值的脈沖。為了克服這個問題，低調制度時引入一種優化調制模式，低調制度優化調制原理如圖6所示。以U相為例，假設理想的兩個橋臂調制波分別為ru+和ru-，在低調制度優化調制模式中，將兩個橋臂的調制波各自分解為上下兩個調制信號，分別為

（4）

在每個橋臂的調制中，如果分解后的兩個調制波都大于載波，則輸出正電平；如果兩個調制波都小于載波，則輸出負電平；否則輸出零電平。

變流器低壓實驗中，調制度為0.1時采用低調制度優化調制模式，低調制度U相電壓實驗波形如圖7所示，從上到下分別為左橋臂輸出電壓、右橋臂輸出電壓和相輸出相電壓。此時的驅動信號完全滿足IGCT器件的最小脈寬要求。

圖7 低調制度U相電壓實驗波形

2.3 SHEPWM

基于IGCT的大功率變流器開關頻率較低，在輸出頻率很高時，每個周期內的開關次數較少，此時可以采用SHEPWM，以獲得良好的諧波性能。令每相中兩個橋臂的開關角數和輸出電壓有效值一致，可以保證兩個橋臂器件開關損耗和輸出功率的平衡。假設兩個橋臂1/4周期內的開關角數都為，聯立兩個橋臂的SHEPWM角度方程為

利用Matlab軟件的fsolve函數，求解出不同調制度下開關角數=5和=3的一組角度解軌跡如圖8所示。

SHEPWM下，變流器低壓實驗中，調制度=0.7且=5和調制度=0.95且=3時的U相電壓波形如圖9所示。波形從上到下分別為U相左橋臂輸出電壓、右橋臂輸出電壓和相輸出壓波形。

圖9 SHEPWM變流器U相電壓波形

3 變流器實驗

本文研制的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器樣機包括進線柜、二極管整流柜、IGCT逆變柜1、直流電容柜和IGCT逆變柜2、放電柜、控制柜和水冷系統柜等，采用模塊化設計，結構緊湊、體積更小、功率密度更高。大功率IGCT五電平NPC/H橋變流器樣機如圖10所示。

圖10 大功率IGCT五電平NPC/H橋變流器樣機

所研制的IGCT五電平NPC/H橋變流器在直流電壓5 000V條件下，采用三相電抗器對稱負載，輸出電流峰值2 500A，有效值1 770A時，IGCT器件端電壓和變流器輸出電流波形如圖11所示。

圖11 IGCT端電壓和變流器輸出電流波形

變流器在額定直流電壓5 000V時拖動高壓同步電機機組輸出電壓實驗波形，輸出50Hz時，在1/4分壓電阻上測得輸出線電壓和輸出電流波形如圖12所示。此時分壓電阻上相電壓有效值1.73kV，變流器輸出線電壓有效值達到6.9kV，滿足設計要求。

4 結論

本文對基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器進行研究，設計了主電路的拓撲結構，并采用模塊化結構設計方式減少雜散參數。變流器輸出頻率較低時采用一種改進型載波層疊正弦脈寬調制（IPD-SPWM）方法，并提出了一種解決低調制度時最小脈寬的方法。高頻時采用SHEPWM方法，并給出了計算的開關角度解軌跡。實驗結果驗證了本文采用的模塊化結構設計和調制方法的可行性，表明變流器達到了輸出電壓和功率容量的設計要求，具有良好的性能。

圖12 同步電機負載實驗變流器輸出波形

[1] 李崇堅. 大功率電力電子技術的現狀與發展[J]. 電氣時代, 2010(9): 50-52.

Li Chongjian. Current status and development of high power electronic technology[J]. Electric Age, 2010(9): 50-52.

[2] 楊培, 李崇堅. 基于20MVA NPC/H橋變流器功率器件模型的研究[J]. 電力電子技術, 2016(3): 78-81.

Yang Pei, Li Chongjian. Investigation on the power model of 20MVA NPC/H-bridge inverter[J]. Power Electronics, 2016(3): 78-81.

[3] 李崇堅. 交流同步電機調速系統[M]. 北京: 科學出版社, 2013.

[4] 楊培, 李崇堅. 基于IGCT的20MVA NPC/H橋變流器研究[J]. 電氣傳動, 2017(4): 35-39.

Yang Pei, Li Chongjian. Research on the 20MVA NPC/H-bridge inverter based IGCT[J]. Electric Drive, 2017(4): 35-39.

[5] Steimer P, Apeldoorn O, Carroll E, et al. IGCT technology baseline and future opportunities[C]// IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, Atlanta, USA, 2001: 1182-1187.

[6] 袁立強, 趙爭鳴, 宋高升, 等. 電力半導體器件原理與應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

[7] Steimer P K, Gruning H E, Werninger J, et al. IGCT-a new emerging technology for high power low cost inverters[J]. IEEE Industry Applications Magazine, 1999, 5(4): 12-18.

[8] 徐殿國, 李彬彬, 周少澤. 模塊化多電平高壓變頻技術研究綜述[J]. 電工技術學報, 2017, 32(20): 104-116.

Xu Dianguo, Li Binbin, Zhou Shaoze. Overview of the modular multilevel converter based high voltage motor drive[J]. Transactions of China Electrotech- nical Society, 2017, 32(20): 104-116.

[9] Masahiko Tsukakoshi, Mostafa Al Mamun, Kazunori Hashimura, et al. Introduction of a large scale high efficiency 5-level IEGT inverter for oil and gas industry[C]//The 2nd Annual IEEE Energy Con- version Conference and Exhibition, Atlanta, USA, 2010: 4313-4320.

[10] Agelidis V G, Balouktsis A, Dahidah M S A, et al. A five-level symmetrically defined selective harmonic elimination PWM strategy: analysis and experimental validation[J]. IEEE Transactions on Power Electro- nics, 2008, 23(1): 19-26.

[11] 殷正剛. 大功率三電平逆變器脈寬調制及磁場定向控制的研究[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2012.

[12] 李俊杰, 姜建國, 劉云龍, 等. 具有共模電壓減小和電容電壓平衡的五電平有源中點鉗位型變換器SVPWM算法[J]. 電工技術學報, 2018, 33(13): 3109-3118.

Li Junjie, Jiang Jianguo, Liu Yunlong, et al. A space vector pulse width modulation with common-mode voltage balance control for five-level active neutral- point-clamped converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 3109-3118.

[13] 陳仲, 許亞明, 袁濤. 一種基于載波層疊脈寬調制的倍頻調制方法[J]. 電工技術學報, 2018, 33(10): 2334-2344.

Chen Zhong, Xu Yaming, Yuan Tao. A double frequency modulation method based on the level- shifted pulse width modulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(10): 2334- 2344.

[14] Bin Wu. High-power converters and AC drives[M]. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Incor- porated, 2006

[15] 劉文華, 呂建升, 宋強, 等. 五電平電壓型逆變器的變頻SHE-PWM控制策略[J]. 清華大學學報: 自然科學版, 2004, 44(4): 450-453.

Liu Wenhua, Lü Jiansheng, Song Qiang, et al. SHE- PWM control strategy with variable frequency for series-connected five-level inverters[J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2004, 44(4): 450-453.

Investigation on IGCT-Based on Large Power Five-Level Neutral-Point-Clamped/H-Bridge Converter

1,22222

（1. Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry Beijing 100071 China 2. Beijing Aritime Intelligent Control Co. Ltd Beijing 100070 China）

With the combination of the three-level neutral-point-clamped (NPC) technology and H-bridge cascade technology, the five-level NPC/H-bridge converter can improve the output voltage and power capacity. In this paper, the topology of large power five-level NPC/H-bridge converter based on integrated gate-commutated thyristor (IGCT) was investigated, and the modular structure design was adopted to reduce the stray inductance. An improved phase disposition sinusoidal pulse width modulation (IPD-SPWM) method is used when the converter works at low and medium frequencies, and a method to solve the minimum pulse width problem with small modulation depth is proposed. The selective harmonic elimination pulse width modulation (SHEPWM) method is adopted to reduce the output voltage total harmonic distortion (THD) when the converter works at high frequency, and the trajectory curves of switch angles are given. The experimental results verify the feasibility of the topology design and pulse width modulation method proposed in this paper, and show that the converter meets the design requirements and has excellent performance.

Integrated gate-commutated thyristor (IGCT), neutral-point-clamped (NPC)/H-bridge, five- level, sinusoidal pulse width modulation, selective harmonic elimination pulse width modulation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90329

TM464

蘭志明 男，1979年生，博士，研究方向為中高壓大功率變流器。E-mail: lanzhm1979@163.com（通信作者）

王成勝 男，1976年生，教授級高工，研究方向為中高壓大功率變流器。E-mail: wangcs_arim@126.com

2020-07-09

2020-10-28

（編輯 陳 誠）