NPC三电平中压大功率变频器设计
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ELECTRIC DRIVE 2018 Vol.48 No.3
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 3 期
NPC 三电平中压大功率变频器设计
段志刚 1，姜一达 2，张ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2，金书辉 2，尤轶 2 （1. 天津大学 管理与经济学部，天津 300072； 2. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）
Key words: integrated gate commutated thyristor（IGCT）；neutral point clamped（NPC）；active-front end（AFE）； vector control
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［1］。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。
（1. College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
Abstract: A medium-voltage and high-power convertor with IGCT was introduced. Its single power rating could reach 8 MV·A，and a few convertors could be paralleled together in order to drive a higher-power load. AC-DC-AC and back-to-back topology was adopted，the rectifier and inverter had the same power units—three level NPC connected into DC-link. The rectifier was designed with AFE so that the energy from DC-link could feed to the power grid. The rotor flux orientation vector control strategy，which ensured the highest torque quality，was applied in the inverter. So， the convertor shows an excellent drive system efficiency including low harmonic content and high speed performance， and is appropriate for a wide-range variable-speed drive system.
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-level neutral-point-clamped voltage source converter，3LNPC VSC）［2-4］、电压源型电容钳位 4 电平变频器 （four-level flying capacitor voltage source converter，4L-FLC VSC）［5］和电压源型 H 桥级联变频器 （series-connected H-bridge voltage source converter，SCHB VSC）［6］，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［7］。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 SIMVERT ML2 系列［8-9］，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
作者简介：段志刚（1970-），男，在读博士，高级工程师，Email：duanzg086@
13
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 3 期
段志刚，等：NPC 三电平中压大功率变频器设计
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，某些企业推出 了采用低压 IGBT 的电压源型 H 桥级联高压变频 器，还有些企业研制出基于 IGBT 的中压三电平 变频器，电压等级可达 3 kV。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 相 比 国 外 有 较 大 差距 。 ［9-10］
关键词：集成门极换流晶闸管；中点钳位；有源前端；矢量控制 中图分类号：TM4 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.20180303
Design for Medium-voltage and High-power Convertor with Three Level NPC DUAN Zhigang1，JIANG Yida2，ZHANG Ce2，JIN Shuhui2，YOU Yi2
摘要：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 8 MV·A，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，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 三电平结构。整流部分设计为有源前端 AFE，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。所述系统不仅谐波含量小而且具有很好的动态特性和调速 精度，适用于调速范围宽的驱动系统。
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 3 期
NPC 三电平中压大功率变频器设计
段志刚 1，姜一达 2，张ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2，金书辉 2，尤轶 2 （1. 天津大学 管理与经济学部，天津 300072； 2. 天津电气科学研究院有限公司，天津 300180）
Key words: integrated gate commutated thyristor（IGCT）；neutral point clamped（NPC）；active-front end（AFE）； vector control
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［1］。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。
（1. College of Management and Economics，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China）
Abstract: A medium-voltage and high-power convertor with IGCT was introduced. Its single power rating could reach 8 MV·A，and a few convertors could be paralleled together in order to drive a higher-power load. AC-DC-AC and back-to-back topology was adopted，the rectifier and inverter had the same power units—three level NPC connected into DC-link. The rectifier was designed with AFE so that the energy from DC-link could feed to the power grid. The rotor flux orientation vector control strategy，which ensured the highest torque quality，was applied in the inverter. So， the convertor shows an excellent drive system efficiency including low harmonic content and high speed performance， and is appropriate for a wide-range variable-speed drive system.
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-level neutral-point-clamped voltage source converter，3LNPC VSC）［2-4］、电压源型电容钳位 4 电平变频器 （four-level flying capacitor voltage source converter，4L-FLC VSC）［5］和电压源型 H 桥级联变频器 （series-connected H-bridge voltage source converter，SCHB VSC）［6］，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［7］。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 SIMVERT ML2 系列［8-9］，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
作者简介：段志刚（1970-），男，在读博士，高级工程师，Email：duanzg086@
13
电气传动 2018 年 第 48 卷 第 3 期
段志刚，等：NPC 三电平中压大功率变频器设计
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，某些企业推出 了采用低压 IGBT 的电压源型 H 桥级联高压变频 器，还有些企业研制出基于 IGBT 的中压三电平 变频器，电压等级可达 3 kV。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 相 比 国 外 有 较 大 差距 。 ［9-10］
关键词：集成门极换流晶闸管；中点钳位；有源前端；矢量控制 中图分类号：TM4 文献标识码：A DOI：10.19457/j.1001-2095.20180303
Design for Medium-voltage and High-power Convertor with Three Level NPC DUAN Zhigang1，JIANG Yida2，ZHANG Ce2，JIN Shuhui2，YOU Yi2
摘要：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 8 MV·A，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，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 三电平结构。整流部分设计为有源前端 AFE，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。所述系统不仅谐波含量小而且具有很好的动态特性和调速 精度，适用于调速范围宽的驱动系统。