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1250kW高压三电平变频器的研制及其应用 赵争鸣 白 华 张海涛 袁立强 张延安 杨 志 1 引言随着能源问题的日益突出，节能问题愈来愈受到重视。据相关数据统计[1]，目前全国各类电动机总装机容量约为大于4亿kw，年耗电量约为15000亿kw·h，约占全国总发电量21870亿kw·h的65％。如果采用变频调速技术，平均节能潜力为14.8％(约2200亿kw·h)，相当于建成后的三峡工程两年的年发电量。国家发改委在第十个五年计划中将“电机调速节能”列为重点之重，以总节能潜力1000亿kw·h为目标，计划组织500亿人民币来实施。国家发改委已正式将“电机系统节能”列为“十一五”的十大节能工程之一。就目前我国的变频调速应用现状来看，2004年我国电动机采用变频调速技术的总容量仍不到电动机总装机容量的10％，市场潜力很大。目前我国变频调速装置的研发和生产能力仍然相对较弱，尤其是对中高压变频器，由于其技术门坎高、资金投入大、研发周期长，一直是该研究领域的难点之一。但又由于中高压变频器的相对利润高，对国民经济影响大，节能效果明显，它又是该领域的技术和市场战略制高点所在。abb公司的数据显示(如图1)，目前中高压变频调速系统所占全行业的比例仅为3%，市场潜力相当巨大。 图1 中高压变频器所占份额 级联式高压变频器近几年有了较大的发展，但由于其内在的局限性，推广应用受到限制。中点嵌位式的三电平高压变频器由于具有所需器件少、控制相对简单、能量可双向流动、体积小、重量轻等优点，呈现出较大的应用前景。目前国际上主要以abb和西门子三电平变频器产品为代表。为加速我国自己的中高压变频调速装置的发展，2001年10月清华大学电机系与南京电力自动化设备总厂联合成立了清华南自电力电子应用技术联合研究所，专门进行三电平变频调速系统（包括高压大容量变频器和适用于变频调速的电机）研制。目前已经研制成功低压55kw/380v、160kw/380v系列和高压1250kw/3300v/6000v三电平变频器,均已投入现场使用。本文就1250kw/3300v/6000v系列三电平变频器的研制和应用情况进行介绍。 2 1250kw高压三电平变频器结构特点典型的二极管箝位型三电平变频器拓扑结构如图2所示[2]。 图2 1250kw三电平变频器拓扑结构图 它与典型的两电平变频器相比主要有三点不同：每支桥臂上有四只开关器件；每支桥臂上还多了两只快恢二极管；两只快恢二极管的中点与直流母排电容中点相连。另外，该三电平变频器采用空间矢量pwm（svpwm）开关调制方法，其中开关器件所处的运行条件有如下几个特点：(1) 三电平中采用二极管箝位结构，具有直流母排中点电压偏移问题，使得三电平中的开关器件有可能实际承受电压不一样，甚至单个开关器件承受全部直流母排电压。(2) 三电平的svpwm中，共有四组矢量可供选择：小矢量、中矢量、大矢量和零矢量。开关矢量组合可供选择的余度大，开关顺序不尽相同。(3) 电平中的每个开关器件的通态和阻态时间随着开关矢量选择的不同有较大的区别，并且同一桥臂中的开关器件所具有的通态和阻态时间也不一样，一般来讲，内管比外管的通态时间长。(4) 电平中开关器件的最小脉宽和死区设置时间与pwm调制方式密切相关，同时又受开关器件本身和电路拓扑的制约。(5) 电平增加箝位二极管后，箝位二极管作为换流回路中的重要器件，换流回路不同，开关器件所处的回路以及回路参数不同，开关器件所承受的电应力不一样。由于上述结构的差别，三电平变频器中的换流机理与两电平的换流机理存在较大差异。特别对于1250kw高压三电平变频器来说，由于容量大、电压高，一些原来在小容量变频器中不突出的现象变的突出了，例如：中点平衡问题、线路杂散参数、脉冲瞬态过程、最小脉宽和死区的最优搭配、器件连接线和接头、di/dt与dv/dt的影响、开关损耗、散热与冷却等。而其中的开关器件则为其设计和运行的关键。本变频器中采用了新型的igct器件。igct是器件与驱动电路的总和。在igct中，一些主要驱动电路参数和功能都已经被标准化了。例如，开通电流和关断电压限值、开关延时、电流电压上升率、门极电路电感、门极驱动电流等。使用者不需要考虑它们的设置，需要考虑的仅仅是符合要求的驱动电源、控制信号的转换和恰当的机械装配，这些涉及到驱动电源的标准、隔离、光纤控制界面、控制信号、诊断和保护以及周边环境的设计原则和要求。igct结构如图3所示(四种型号)[3]。 图3 igct的四种型号外观图 相比于gto，igbt在结构上有多处改进：增加缓冲层，使开关速度加快；驱动集成化使开关速度加快；透明发射极也使驱动加快。三者的作用都使开关速度加快，从而大大缩短不稳定的开关区域，减小误动作。因此，可以认