NPC三电平中压大功率变频器设计

NPC三电平中压大功率变频器设计

段志刚;姜一达;张策;金书辉;尤轶

【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.%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.

【期刊名称】《电气传动》

【年(卷),期】2018(048)003

【总页数】5页(P13-16,74)

【关键词】集成门极换流晶闸管;中点钳位;有源前端;矢量控制

【作者】段志刚;姜一达;张策;金书辉;尤轶

【作者单位】天津大学管理与经济学部,天津300072;天津电气科学研究院有限公司,天津300180;天津电气科学研究院有限公司,天津300180;天津电气科学研究院

有限公司,天津300180;天津电气科学研究院有限公司,天津300180

【正文语种】中文

【中图分类】TM4

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。

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］。

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，本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3.3 kV，8 MV·A

三电平变频器，如图1所示。

图1 基于IGCT 8 M V·A三电平变频器Fig.1 8 MV·A three level converter with IGCT

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2 MW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。

1 变频器主回路及控制系统设计

1.1 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4象限运行，有功功率既可从电网流向电动机，也可从电动机