兩電平高壓變頻器的技術特點及設計研究

引言

在國際能源緊缺、全球氣候變暖的嚴峻形勢下，減少能源消耗、減少溫室氣體大量排放成為當務之急。實踐證明，對一定工況下的工業(yè)電動機進行變頻調(diào)速是一種行之有效的節(jié)能方式。根據(jù)統(tǒng)計，我國僅待調(diào)速節(jié)能的風機就有4000多萬臺，年耗電約1 5oo億kW·h，節(jié)能潛力達450億kW·h／年，節(jié)能潛力巨大［1l。

節(jié)能效果顯著的高壓變頻器早期之所以推廣速度緩慢，一方面是因為一次性投入較大且一些產(chǎn)品可靠性不高，另一方面是因為應用變頻器以后會帶來一些新的問題，如電網(wǎng)諧波污染、電機諧波損耗發(fā)熱及電機絕緣老化等。隨著國家對節(jié)能減排的重視和變頻器技術的發(fā)展，高性價比高壓變頻器的應用越來越多普通變頻器往往具有較高的di／dt和du／dt電應力，電路輸出含有較高的諧波，而通過采用合理的電路拓撲結構可有效地降低其di／dt和du／dt，通過采用合理的控制算法可降低其諧波輸出，從而在大大提高變頻器本身可靠性的同時降低對電網(wǎng)的諧波污染。而基于IGGT器件的兩電平高變頻器產(chǎn)品，輸出諧波含量小于2％，效率高達98％。

1 變頻器技術介紹

普通級聯(lián)高壓變頻器主回路拓撲和功率單元內(nèi)部電路分別如圖1、圖2所示，基于IGCT器件的兩電平變頻器主電路拓撲如圖3所示。

由圖3可知，兩電平高壓（6 kv）變頻器串聯(lián)后的單個功率管要承受的額定電壓為6000×√2÷≈32800（v），最大運行電壓達到2 800×1．15×1．08≈3500（v）（考慮過電壓15％和變壓器阻抗8％），這對單管吸收回路及其控制提出了很高的要求。由圖1、圖2可知，級聯(lián)產(chǎn)品每個功率管需要承受的額定電壓為6000÷√3×√2÷5×1．15×1．08 ≈1 200（V）。因此，兩電平拓撲高壓變頻器的實現(xiàn)難度要比級聯(lián)式變頻器高得多。該兩電平高壓（6 kV）變頻器具有如下特點：

（1）級聯(lián)式變頻器需要150只功率管，而兩電平變頻器只需要36只功率管，因此，兩電平變頻器的故障幾率可以大大降低，可靠性得到極大提高；

（2）級聯(lián)式變頻器的變壓器出線達45根，而兩電平變頻器出線僅9根，使故障概率明顯減??；

（3）級聯(lián)式變頻器不允許將電機放到離變頻器過遠的地方，以防止機端反激等原因造成變頻器異常保護甚至變頻器和電機損壞，而兩電平變頻器具有Lc濾波環(huán)節(jié)，輸出電纜中不存在大的du／dt，不存在機端反激現(xiàn)象，因而不存在這樣的限制；

（4）在能量流方面，兩電平變頻器只需將整流電路稍加改造即可實現(xiàn)4象限運行，這是當前的級聯(lián)式變頻器技術所做不到的；

（5）兩電平變頻器中采用高壓金屬膜電容器而不采用電解電容器，使整機壽命可達10年以上，這也是級聯(lián)式變頻器很難實現(xiàn)的。

2 基于IGCT器件的兩電平技術介紹

圖3是兩電平高壓變頻器的主電路拓撲，逆變部分使用了高耐壓、大電流的功率開關器件IGCT，其內(nèi)部集成有反并聯(lián)續(xù)流二極管；為了減小對電網(wǎng)的沖擊，整流電路采用18脈沖二極管整流結構。其核心技術為特定消諧技術、Lc濾波技術及多IGCT串聯(lián)均壓技術等。

在設計中，將特定消諧技術和LC濾波技術進行了完美結合，取得了較為理想的效果。試驗測得兩電平高壓變頻器輸出電壓和電流波形如圖4所示，其中幾乎沒有諧波和大的du／dt存在，這對電機絕緣沒有任何損傷；同時，將濾波電容中點接地可以消除共模電壓（即消除電機軸向電壓），使電機使用壽命不受影響。

基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的設計難點在于多個串聯(lián)功率管的動態(tài)均壓。經(jīng)過嚴格計算、精確仿真和反復試驗改進，得到了額定電流條件下功率管關斷均壓實測波形，如圖5所示。圖5中第2峰值電壓分別為3525V，3360V和3240V，此處3只功率管的電壓與電壓平均值的偏差均小于5％，達到了很好的均壓效果。

動態(tài)均壓電路如圖6所示，該電路在帶來良好均壓效果的同時會造成IGCT開通瞬間di／dt過大，這是IGCT器件所不允許的。從抑制di／dt的角度考慮，需要增加電阻阻值，但大電阻必然會降低動態(tài)均壓的效果。因此，圖5所示的均壓不是最佳效果，而是考慮di／dt后的綜合結果。

在關鍵工藝方面，由于采用橫向功率管壓裝技術，功率回路功率密度大為提高，即使含濾波回路，兩電平高壓變頻器的體積和質(zhì)量也明顯小于其他產(chǎn)品。

3 運行效果

揚州發(fā)電有限責任公司330MW機組凝結水泵（1120kW）在進行變頻改造以前，機組滿負荷運行時電機的工作電流為126A，負荷降低時電流降低很少。進行變頻改造后，機組滿負荷時變頻器輸入電流為92A，機組210MW負荷時變頻器輸入電流為41A，綜合節(jié)電在35％以上。該泵改造前年耗電約8×1000000kW·h，改造后年耗電約5×1000000kW·h，按上網(wǎng)電價0．39元／（kW·h）計算，每年至少可節(jié)省電費I10萬元，經(jīng)濟效益相當可觀。在節(jié)能的同時，電廠電機控制自動化水平也得到了很大提高。

4 結論

從上面的分析可以看出，兩電平高壓變頻器具有非常出色的性能，在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延長電機的使用壽命及提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等方面均有很大的優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)、煤礦、城市供水等對設備可靠性、安全性要求很高的應用場合，采用輸出諧波含量低、對負載損傷小的兩電平高壓變頻器是一種很好的選擇。