景巍,譚國俊,趙張飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,江蘇 徐州 221008;2.江蘇省電力傳動與自動控制工程研究中心,江蘇 徐州 221116)

1 引言

中點(diǎn)鉗位(NPC)三電平變頻器在MW級大功率工業(yè)設(shè)備上已得到廣泛應(yīng)用,其商業(yè)價(jià)值也已被市場所證實(shí)。近年來,圍繞著NPC三電平變頻器研制和性能提升的研究報(bào)道也層出不窮,從初期的主電路設(shè)計(jì)和中點(diǎn)電位平衡控制算法的研究,到現(xiàn)階段的無感母線設(shè)計(jì)、共模電壓抑制以及損耗的研究,NPC三電平變頻器的性能正逐步走向完善[1- 5]。然而NPC三電平變頻器在運(yùn)行過程中功率器件的損耗不平衡,部分器件損耗較大,發(fā)熱嚴(yán)重,這在很大程度上限制了變頻器的容量和功率器件開關(guān)頻率的提升。

針對NPC三電平變頻器功率器件損耗不平衡的缺點(diǎn),德國學(xué)者T.Bruckner于2001年首次在IEEE-PESC會議上提出了有源鉗位(Active NPC,ANPC)三電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]。采用開關(guān)器件取代傳統(tǒng)NPC拓?fù)渲械你Q位二極管可產(chǎn)生冗余零電壓狀態(tài)輸出,在換流過程中通過對這些冗余零電壓的合理切換可實(shí)現(xiàn)功率器件的損耗平衡。

2 ANPC三電平變頻器的工作原理

ANPC三電平變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。每相橋臂由6個(gè)開關(guān)器件(其中x表示a,b,c)組成,各開關(guān)器件分別反并聯(lián)前向二極管Dx5,Dx6。由于鉗位電路的作用,使得每相橋臂可以輸出P,O,N3種電平,其中O電平存在OU1,OU2,OL1,OL24種冗余狀態(tài)。

圖1 ANPC三電平變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of ANPC three-level converter

ANPC三電平變頻器對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓見表1。表1中,1和0分別表示開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。

表1 ANPC三電平變頻器開關(guān)狀態(tài)T ab.1 Switching states of ANPC three-level converter

當(dāng)電流為正(流出)時(shí),變頻器橋臂輸出狀態(tài)在P和O之間切換的換流方式如圖2所示。由于鉗位電路采用開關(guān)器件,因此在O狀態(tài)有兩種電流流出方式,方式1通過上橋臂的和流出,對應(yīng)于OU1狀態(tài);方式2通過下橋臂的 Tx6和流出,對應(yīng)于OL2狀態(tài)。在P?OU1切換方式下,電流在P狀態(tài)通過和流出,在OU1狀態(tài)通過和流出,在此換流過程中,和存在開關(guān)切換,兩者既有導(dǎo)通損耗,又有開關(guān)損耗,而一直處于導(dǎo)通狀態(tài),只有導(dǎo)通損耗。在P?OL2方式下,電流在P狀態(tài)通過Tx1和Tx2流出,在OL2狀態(tài)通過和流出,在此換流過程中,和盡管分別在OL2狀態(tài)和P狀態(tài)電流為零,但其一直處于導(dǎo)通狀態(tài)并沒有開關(guān)過程,因此只有導(dǎo)通損耗,而和存在開關(guān)切換,兩者既有導(dǎo)通損耗,又有開關(guān)損耗。

上述分析表明,在ANPC三電平變頻器運(yùn)行過程中通過方式1和方式2的不斷切換可平衡功率器件的損耗,例如在方式1下,Tx1既存在導(dǎo)通損耗,又存在開關(guān)損耗,其總損耗較大,但在方式2下只存在導(dǎo)通損耗,因此方式1和方式2的切換可平衡Tx1的損耗。其它換流方式下功率器件的工作情況可按類似的方法分析,不再贅述。

圖2 ANPC三電平變頻器換流方式Fig.2 Commutation types of ANPC three-level converter

3 ANPC三電平變頻器的調(diào)制策略

3.1 換流方式1調(diào)制策略

在換流方式1下,ANPC三電平變頻器的PWM脈沖生成原理見圖3。在調(diào)制電壓正半周期,當(dāng)us大于上載波uc1時(shí),橋臂輸出P狀態(tài),同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng)小于上載波uc1時(shí),橋臂輸出OU1狀態(tài),Tx2,Tx5同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷。在調(diào)制電壓負(fù)半周期,當(dāng)大于下載波時(shí),橋臂輸出OL1狀態(tài)同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng)us小于下載波時(shí),橋臂輸出N狀態(tài),同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷。圖3中,為橋臂在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓。

圖3 換流方式1下的脈沖生成原理Fig.3 Pulse generation rule under type 1 commutation

這種調(diào)制策略下,開關(guān)器件Tx1,Tx4,Tx5,Tx6以開關(guān)頻率在動作;而,以調(diào)制電壓頻率在動作。

3.2 換流方式2調(diào)制策略

在換流方式2下,ANPC三電平變頻器的PWM脈沖生成原理見圖4。在調(diào)制電壓正半周期,當(dāng)us大于上載波時(shí),橋臂輸出P狀態(tài),同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng)小于上載波時(shí),橋臂輸出OL2狀態(tài),同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷。在調(diào)制電壓負(fù)半周期,當(dāng)大于下載波時(shí),橋臂輸出OU2狀態(tài)同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷;當(dāng)us小于下載波uc2時(shí),橋臂輸出N狀態(tài),Tx3,同時(shí)開通,其余開關(guān)器件關(guān)斷。

圖4 換流方式2下的脈沖生成原理Fig.4 Pulse generation rule under type 2 commutation

4 ANPC三電平變頻器的損耗計(jì)算

ANPC三電平變頻器的調(diào)制電壓和負(fù)載電流的相位關(guān)系如圖5所示,其表達(dá)式分別為

式中:α為調(diào)制電壓的相位角;m為調(diào)制度;θ為負(fù)載阻抗角為負(fù)載電流的峰值。

圖5 調(diào)制電壓和負(fù)載電流的相位關(guān)系Fig.5 Phase relationship between modulation voltage and load current

式中:v0,T和rT分別為開關(guān)器件的初始飽和壓降和導(dǎo)通電阻為開關(guān)器件在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的能量損耗為開關(guān)頻率。

在換流方式2下,Tx1同樣工作在θ～π區(qū)域,但采用P?OL2切換方式,其只有導(dǎo)通損耗,而無開關(guān)損耗,兩者損耗計(jì)算表達(dá)式如下:

在換流方式1和方式2切換過程中,Tx1的平均損耗表達(dá)式如下:

其他功率器件的損耗可按類似的方法進(jìn)行分析,不再贅述。

圖6為500 A負(fù)載電流,2 kHz開關(guān)頻率下ANPC和NPC三電平變頻器在逆變模式下的損耗比較,兩者主電路都采用ABB 5SNA 1500E330300型號IGBT模塊。對比顯示,ANPC的功率器件損耗明顯平衡,其功率器件最高損耗為691 W,而NPC最高損耗為960 W。

圖6 ANPC和NPC功率器件損耗比較Fig.6 Losses comparison between ANPC and NPC

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中,ANPC三電平變頻器主電路中IGBT模塊為英飛凌FZ400R12KE3,控制器采用DSP+FPGA的結(jié)構(gòu),DSP為TI公司的TMS320F2812。實(shí)驗(yàn)主要電氣參數(shù)為:直流母線電壓360 V,母線電容 5 000 μ F,負(fù)載(阻感)4 Ω+23 mH,調(diào)制度0.95,調(diào)制頻率50 Hz,載波頻率2 000 Hz。

圖7為ANPC三電平變頻器在阻感負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)波形。Tx1/Dx1電流波形中正半周是流過IGBT的電流,負(fù)半周是流過二極管的電流,Tx2/Dx2以及Tx5/Dx5和其一致。從圖7中可以看出,在各個(gè)電壓周期內(nèi)換流方式1和方式2交替工作,在調(diào)制電壓和負(fù)載電流都為正時(shí),換流方式1下Tx1和Dx5頻繁開關(guān)切換,而 Tx2一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。換流方式2下,Tx1盡管存在零電流,但其一直處于導(dǎo)通狀態(tài),Tx2頻繁開關(guān)切換,Dx5電流為零。

圖7 ANPC三電平變頻器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of ANPC three-level converter

6 結(jié)論

本文分析了ANPC三電平變頻器的工作原理以及換流方式1和方式2下功率器件的工作特性,并給出了2種換流方式下的PWM脈沖生成方法。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了換流方式1和方式2下功率器件的損耗計(jì)算表達(dá)式,計(jì)算表明,在單個(gè)調(diào)制周期內(nèi)通過2種換流方式的交替運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)功率器件損耗平衡。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ANPC三電平變頻器在換流方式1和方式2下調(diào)制策略的正確性以及兩者切換運(yùn)行模式的有效性。

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