摘 要：介紹了基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的技術(shù)特點和工作原理，分析了兩電平高壓變頻器的試驗波形及其在電廠中的運行情況和節(jié)能效果，探討了電壓源兩電平高壓變頻器的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：IGCT器件；兩電平；變頻器Research on the two—level high—voltage frequency conveter based on
IGCT devices and application
QIAN Shi—bao，YANG Zhi
（Guodian Nanjing Automation Co．，Ltd．，Nanjing 210003，China）
Abstract：The technical characteristics and working principles of two —level high- voltage frequency converter based on IGCTdevices were introduced．The experimental waveform of such converter．together with the operation conditions and energy — saving efects were analyzed．based on this，the application prospect of two —level high—voltage frequency converter for power source was presented．
Key words：IGCT devices；two—level；frequ ency converter
0 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(dāng)務(wù)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(fēng)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(yīng)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(shù)的發(fā)展，高性價比高壓變頻器的應(yīng)用越來越多普通變頻器往往具有較高的di／dt和du／dt電應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)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，使故障概率明顯減小；
（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(dāng)前的級聯(lián)式變頻器技術(shù)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(shù)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(guān)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(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)為特定消諧技術(shù)、Lc濾波技術(shù)及多IGCT串聯(lián)均壓技術(shù)等。
在設(shè)計中，將特定消諧技術(shù)和LC濾波技術(shù)進行了完美結(jié)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(shè)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(fù)試驗改進，得到了額定電流條件下功率管關(guān)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(jié)果。
在關(guān)鍵工藝方面，由于采用橫向功率管壓裝技術(shù)，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(zé)任公司330MW機組凝結(jié)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(dāng)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(jié)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(shè)備可靠性、安全性要求很高的應(yīng)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。
參考文獻：
[1]楊志勇，趙爭鳴，三電平變頻器在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[c]／／2004年世界工程師大會電力和能源分會場技術(shù)論壇論文集，北京：中國電機工程學(xué)會，2004：167—169，
