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複合型大功率高壓變頻器的結構及應用分析


複合型大功率高壓變頻器的結構及應用分析
1 引言
  近幾年來,多電平高壓變頻器在大功率應用方麵越來越引起了人們的注意,大量的主電路結構和控製策略不斷湧現。這類變頻器的輸出波形由於是通過波形疊加合成的,所以具有良好的諧波頻譜特性,非常適合大功率高壓負載的應用。在多電平高壓變頻器係列中,中心點鉗位式三電平(npc)在工業應用中,取得了良好的效果和一致的好評。其結構如圖1所示。
  這種三電平(npc)逆變器主電路是對稱的,每相由4個igct組成,上部兩個igct之間和下部兩個igct之間分別通過二極管鉗位,連接到變頻器直流側的中點。當閉合每相4個igct中的兩個時,負載可連接到變頻器直流側的上部、下部或中部,因此每相輸出三電平的電壓波形。與常規變頻器相比,由於逆變器輸出相電壓電平數由2個增加到3個,線電壓電平數則由3個增加到5個,每個電平幅值相對降低,由整個直流母線電壓變為一半的直流母線電壓,在同等的開關頻率下,可使輸出波形質量有較大的改善。對於大功率高壓變頻器,為了達到更好的波形輸出質量,三電平逆變器的後端采用lc正弦波濾波器進行濾波。變頻器的整流器采用12脈波整流結構,其前端的變壓器采用角/星/角接法。這一方麵使變頻器的輸入電壓滿足要求,另一方麵減小變頻器對電網的諧波幹擾。如果整流器也為三電平pwm控製,從而可以使輸入功率因數可調,甚至可以達到功率因數為1,輸入諧波很低,能夠進行四項限運行,解決變頻器運行過程中的電網掉電再啟動問題。從而使這種三電平的高壓變頻器非常適於一般高壓電機負載和要求四項限運行負載。目前,由於這種三電平的變頻器的輸出均要經過整流變壓器和lc正弦波濾波器進行濾波,所以勢必造成效率低下。為了提高變頻器係統效率,在原三電平(npc)變頻器結構的基礎上,提出了一種基於igct和igbt合成技術的複合型多電平大功率變頻器結構。這種新型變頻器結構不但使輸出電平達到9個電平,而且變頻器效率大大提高。
  2 帶無源濾波器的npc逆變器
  在圖1中的npc高壓變頻器中,其輸出的lc正弦波濾波器也可接在變頻器的進線側,作為pwm整流器(也斬控整流器)的一個單元,以滿足大功率的工業應用(軋鋼機的四象限運行)和電網應用(電網的無功靜態補償)。高壓igct pwm整流器如圖2所示。
  在圖2中,npc變頻器通過一個lcl 濾波器直接連到3.3kv電網中,隻要對網側電抗器的壓降計算合適,就可用網側電抗器代替進線變壓器,從而保證變頻器的直流側電壓達到名牌要求的值。此時,主要的一個指標是在非常低的短路比(scr)情況下,滿足ieee519-1992的諧波要求。因此,接連到npc逆變器中的lcl濾波器要具有足夠的容量,以滿足電流和電壓的嚴格要求。在兆瓦級的大功率應用中,若短路比(scr)比較低,則該濾波器的外型尺寸就變得非常重要了。為了滿足ieee519-1992的限製,對npc逆變器采用優化的脈衝策略,對輸出濾波器采用優化容量的方法。這樣,低次諧波通過變頻器優化的脈衝策略濾掉,高次諧波通過無源濾波器濾掉。
  假設變頻器的電壓輸出波形為矩形波,初相角為ψ,電壓幅值為ud,則可表示如下:
  (1) 例如,對於變頻器,要想消除5、7、11、13、17、19、23和25次諧波,在每半個周期內定義8個凹槽,則有9個開關角可選,(1)式可寫成如下格式:
  通過應用三角變換後,(2)式可變換如下:含有基波的可得n次諧波的幅值通式如下:
  從(3)式中,可得n次諧波的幅值如下:
將n等於5、7、11、13、17、19、23、25分別代如(4)式中,且另 =0, 則可得到包括基波在內的9個方程,解此方程組,就得到了優化脈衝策略的9個開關角,從而即可消除對應的5、 7、11、13、17、19、23和25次諧波。通過這種方式,可產生能夠消除任何次諧波的優化脈衝策略。
 
  從實際應用情況看,npc高壓igct逆變器和無源濾波器相結合雖然能夠滿足ieee519-1992的最嚴格要求,但igct的pwm載波頻率太高,開關損耗太大,係統的效率大大降低了。采用有源濾波器來代替無源濾波器,可改善這種情況。
  3 複合型npc逆變器
  高壓變頻器的發展階段以不同的電力電子器件的應用為標誌。scr器件本身沒有可控關斷功能,由其構成的變頻器功率因數差,諧波比例大,是電網標準不允許的,在已有的應用例子中,必須附加大量的功率因數補償裝置和濾波器等。盡管如此,還是達不到令人滿意的性能指標。gto器件比scr器件有了一些改進,具有可關斷功能,在一定程度上減少了諧波對電網的影響,但是,由於開關頻率不高,限製了變頻器的性能指標,而且,gto器件對驅動級控製電路的要求高,電路複雜,可靠性難以保證,這些因素使gto變頻器不可能達到大規模推廣的程度。igct器件是集成門極換相式晶閘管,在gto的基礎上發展起來的,具有高電壓、大電流、低導通壓降的優點,已在3kv~6kv的npc變頻器中,得到了廣泛的應用。igct器件目前的唯一的缺點是在pwm控製時,其載波頻率隻能達到1khz。igbt器件在低壓變頻器的應用中已經非常成熟了,在pwm控製時,其載波頻率可達到15khz左右,這就使變頻器的輸出波形非常好,但igbt的缺點是其耐壓低,容量也不能做到很大。基於igct器件和igbt器件各自的優缺點,提出了一種二者結合的複合型高壓變頻器。
複合型npc變頻器的電路結構是:
  l 一個高壓大功率npc的igct變頻器作為主電路,進行功率變換。
  l 多個低壓h 橋2電平igbt變頻器串聯到主電路中,作為有源濾波器。
  該電路結構如圖3所示。在此電路中,igbt變頻器隻是一個逆變器,跨接在母線間,無需任何附加供電輸入。如果低壓igbt逆變器由其本體控製,而npc的變頻器的直流側電壓由其主變壓器控製,輸出接電機負載,如圖1所示,則複合型變頻器的直流側可按3:1的比率配置(即:npc的一半電壓與h橋電壓之比)。係統運行時,為了保證igbt逆變器無任何供電輸入,實際的功率應避免流入igbt逆變器也就是說,所有實際功率的平均值必須經過npc的igct變頻器傳輸因此,必須設定npc變頻器的直流側電壓足夠高。例如,對於4.15kv的高壓變頻器,npc變頻器的直流側電壓(直流側的一半電壓)和h橋igbt逆變器的直流側電壓可設定如下:
  udc_igct_n=3000vdc
udc_igbt_n=1000vdc
由於直流側電壓可根據需要產生,變頻器電壓輸出是npc逆變器電壓(3kvdc)與igbt 逆變器電壓(1kvdc)之和,所以這種結構的變頻器與圖1中的變頻器結構相比,實際上減小了直流側電壓(直流側的一半電壓從3.365kv減小到3kv),而僅僅要求一個直流側電壓為1kv 的2電平的igbt逆變器。應用此種合成方法和igct、igbt器件,在保證最優的直流側電壓下,實現多電平的變頻器電壓輸出。對於參考電壓為4kv、調製頻率為基波頻率的39倍、調製係數為0.85的複合型變頻器,選擇合適的pwm調製策略,用-4kv、-3kv、-2kv、-1kv、0、+1kv、+2kv、+3kv、+4kv電壓等級,可實現9電平的電壓輸出波形,如圖4所示。我們應用matlab語言對係統進行了仿真,仿真結果如圖5所示。通過對仿真結果的分析,在scr=20的情況下,得出了複合型變頻器的與帶無源濾波器的npc變頻器的各項指標比較表如附表。

 
 
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