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NPC三电平中压大功率变频器设计

文:姜一达 张策 金书辉 尤轶 段志刚 | 2018年第二期 (0) | (0)

    摘要:本文介绍了基于三电平拓扑的大功率中压变频系统,单台容量达8MVA,可以多台并联扩展。变频器功率开关器件采用集成门极换流晶闸管IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor),变频器采用交-直-交背靠背拓扑,整流和逆变部分均为中点钳位NPC(NeutralPointClamped)三电平结构。整流部分设计为有源前端AFE(ActiveFrontEnd),可以实现逆变器电能向电网回馈,逆变部分采用转子磁量定向的矢量控制,可以达到高性能的调速指标。变频器能够四象限运行,所述系统不仅谐波含量小而且具有很好动态特性和调速精度,适用于调速范围宽的驱动系统。

1引言

    中高压大容量变频传动系统广泛应用于冶金、矿井提升、造纸、石油开采、船舶推进等多种工业场合,研制高性能的大功率变频器对于节能降耗、全面提升工业水平具有重要意义。但是,和低压、小容量变频器的研制相比,中高压大容量变频器的研制对功率器件的性能和电路拓扑结构都有更高要求,因此难度更大。

    采用多电平主电路结构是中高压变频器的一个重要发展方向。和两电平结构相比,多电平结构降低了功率器件的耐压要求,具有输出电压电能质量好(波形接近正弦,谐波小)、开关损耗低和电压变化率du/dt小等特点,非常适合高电压、大功率的应用场合。目前常见的多电平结构有电压源型中点钳位三电平变频器(Three-levelnetural-point-clampedvoltagesourceconverter,3L-NPCVSC)、电压源型电容钳位四电平变频器(Four-levelflyingcapacitorvoltagesourceconverter,4L-FLCVSC)和电压源型H桥级联变频器(Series-connectedH-bridgevoltagesourceconverter,SCHBVSC),其中电压源型中点钳位三电平结构比其他结构具有较高的效率,因此在工业中应用较多。目前,国外知名电气公司大多推出了各自的三电平变频器产品,例如ABB的ACS6000系列以及西门子的SIMVERTML2系列,均具有较高的性能指标。

    我国在中高压大功率变频器方面的研究相对比较落后,过去主要以晶闸管作为功率器件,开发直流传动装置和交-交变频传动系统。这些装置结构复杂、成本高,由于开关频率较低,其控制性能和网侧谐波较差。近十五年来,国内的大容量变频器开发有了突破性进展,北京利德华福电气技术有限公司(已被施耐德电气收购)、北京合康亿盛变频科技有限公司、深圳英威腾电气股份有限公司等企业推出了采用低压IGBT的电压源型H桥级联高压变频器,山东新风光电子科技发展有限公司、徐州中矿传动与自动化有限公司研制出基于IGBT的中压三电平变频器,电压等级可达3kV。依靠价格优势,这些产品可以在一定程度上与国外产品竞争,但总体来看,国内的中高压变频器品牌主要以H桥串联形式为主,技术相对单一,多电平变频器的研发和应用仍显不足,技术水平比国外有较大差距。

    为了提高国产大功率变频技术的水平,摆脱国内市场对进口技术和装备的依赖,天津电气科学研究院有限公司在多年大功率变频技术积累的基础上开展了对电压源型中点钳位三电平变频器的研发工作。经过两年多的努力探索,成功开发出基于IGCT的3.3kV、8MVA三电平变频器,如图1所示,

    该变频器成功地解决了交流电机矢量控制技术和有源前端整流器控制技术等多项关键技术,已在国家电控配电设备产品质量监督检测中心完成了2MW异步电机对拖试验,实验结果表明,该装置具有优良的动、静态性能,填补了国内IGCT三电平中压变频器研究的空白。

2变频器主回路以及控制系统设计

2.1功率主回路及其控制系统

    变频器的功率主回路结构如图2所示。

    图2中,功率主回路采用双PWM背靠背结构,变频器可以四象限运行,有功功率既可从电网流向电动机,也可从电动机侧流回电网。变频器通过三相整流变压器和电网连接,变压器输出的工频三相交流电经过有源前端整流单元整流,得到极性为正、负、零的直流电压。有源前端整流单元采用PWM整流技术,使得其输入功率因数在较大范围内可控。在调制算法中采用了特定谐波消除法(SelectedharmonicElimination-SHE),有效的抑制了谐波流入电网。逆变器采用转子磁链定向的矢量控制算法,提高了电机的动静态性能和调速精度。直流环节为能耗制动部分,当直流电压较高时,触发晶闸管,通过电阻对直流放电,同时也可以作为装置的快速放电回路。

    变频器采用的功率器件为ABB公司的专利产品——IGCT。选用这一器件是考虑到它的导通损耗和开关损耗都较低,非常适用于大功率中压变频技术。

2.2控制系统

    为适应电气传动系统快速、实时性要求,我单位成功开发出了新型数字控制系统TGCS,其外观如图3所示。

    TGCS的硬件部分以TI公司新一代CPU和ALTERA公司大规模FPGA作为核心控制芯片,TGCS软件适用于电气传动、工业现场自动控制、电气设备及电源设备制造等需要数字信号处理器(DSP)的场合,该软件中有自己的基本功能模块库,可以根据需要直接调用实现模块化编程,同时可以将特定的功能以语言的形式编写然后封装块,这增加了调试的灵活性。通过模块化编写的程序通用数字控制器(TGC)中的数字信号处理器完成代码的编译、代码下载及DSP程序的运行状态监控。

    通过合理配置核心硬件及相应的外围接口,使之协调高效工作。控制器采用模块化设计,因此硬件组态灵活方便。为保证中压功率部分与控制部分的绝缘并克服信号传输过程中的电磁干扰,信号的传输采用了新型实用且安全可靠的10M、100M高速光纤通讯电路,通过合理选型及设计采用了适宜工业运行的高速且容错的编解码技术,这种数字光纤通讯技术,满足中压变频安全、快速、稳定可靠的通信要求。

    图4显示了TGCS的编程界面。采用TGCS编写程序时,只需选择适当的程序功能块拖到图形编辑区,然后在对应的端子间连线,并设置相应参数即可,其操作过程与MATLAB/Simulink类似,易于系统设计工程人员掌握,因此显著提高编程效率。除此之外,在对程序进行调试过程中可以对模块的端子进行实时的检测。

    变频器研制开发了适合于数字控制的新型高精度信号检测技术,主要包括:采用高压直接检测技术,安全可靠地采集主回路各类的高电压信号;采用Σ/Δ的模数转换方式实现高速、高精度的各种模拟量信号的数字化采集电路。

3逆变器及其控制

    逆变器的输出端连接负载(一般为电动机),速度的控制是逆变器控制的最终的目标,因此算法中采用双闭环控制,由速度外环和电流内环组成,异步电机控制系统如图5所示。控制系统采用转子磁链定向的矢量控制方法,该算法具有转矩平滑、脉动小、响应快等特点,适合高性能变频控制系统。电机模型的预测是控制的重要部分,常用的建模方法有两种:一种是根据电流矢量计算滑差频率和负载角度、以及磁链,称为电流模型;另一种是基于实际电动势积分计算磁链及其角频率和磁链位置角,称为电压模型。

    两种模型建模的原理决定了两种模型的使用范围,电流模型适合于低速时的控制,低速时电机的参数变化不明显,并且在低速时候电动势比较小,不利于模型的计算;电压模型适合于高速时的控制,并且模型中对电机的参数的依赖很小,同时电机的电动势较大,有助于提高模型的计算精度,因此在不同速度区间分别采用这两种模型来做控制。

    在实现图5的功能时,电压模型和电流模型之间的过渡控制是系统能否稳定可靠工作的关键,其中磁链位置角的过渡尤为重要。在变频器研制过程中,通过深入研究电压模型和电流模型各自特点,反复试验改进,实现了模型之间的平稳过渡,同时在过渡区也具有很好的可靠性和稳定性,保证矢量控制获得较好的效果。

4有源前端(AFE)整流器及其控制

    从图2中可以看出变频器整流部分采用了和逆变部分同样的电路结构,可以实现整流和逆变的功能。和传统的整流技术相比,有源前端的整流技术不再是被动将交流转换为直流,而是具备了“有源”功能,可以实现功率的控制。有源前端整流器不仅可以消除高次谐波,实现功率因数可调功能,而且整流电压不受电网电压波动的影响,具有较好的动态特性。

    有源前端矢量控制原理:以电网电压矢量作为基准矢量,输入电流的相位和幅值可以通过改变占空比控制信号的幅值和角度来控制,从而实现输入电流有功分量和无功分量的分别控制。

    图6为有源前端在同步旋转坐标系下的矢量控制整体框图。由图中可知,控制系统由电流内环和直流电压外环构成双闭环控制结构,直流电压为电压环的参考指令,其与实际反馈值的误差经PI调节器作为有功电流给定的一部分,另一部分为负载电流作为前馈信号,前馈信号的引入是提高系统抗负载扰动的最直接有效的方法;无功电流的计算是功率因数控制环节,需要根据实际需求来确定。若装置工作于功率因数整流状态,则无功电流给定值为0。另外,为进一步消除较低次谐波,系统采用了特定谐波消除法(SHE-PWM)进行调制。

5变频器试验结果

    为测试变频器性能,在已有的实验平台上,对研制的变频器的控制策略进行相关实验试验,实验系统如图7所示。系统实验时,装置1为主变频器,采用转速闭环控制,装置2为副变频器,采用转矩闭环控制,作为加载使用。图8记录了装置1转速给定70%,装置2转矩给定为-80%的实验工况,图8实验波形为装置2AFE整流单元线电压、相电流波形,从图8中看出变频器可以在能量回馈状态下可以稳定运行,电流正弦度较好。

    图9为装置1逆变器转矩电流与电机转速实际值,其中装置2突加3秒50%负载转矩。从图中可以看出转速具有良好的动态响应速度和稳态精度。

6结论

    本文介绍了天津电气科学研究院有限公司研制的基于三电平拓扑的有源前端大功率中压变频器。三电平结构是中高压大功率交流传动技术的发展趋势,西门子、ABB等国际知名公司在三电平变频器的研制方面成绩显著,推出了高性能、系列化的产品。相比之下,我国在中高压大功率三电平装置方面的研发和应用仍显不足,比国外同行有较大差距。最近,天津电气科学研究院有限公司成功研制了基于IGCT的3.3kV、8MVA三电平有源前端变频器,2MW异步电机对拖试验结果表明,该产品成功解决了中压大功率三电平的多项关键技术,具有优良的动、静态性能,填补了国内IGCT三电平中压变频器研究的空白。

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