宋鵬，王輝，王德默，袁媛，張向前

（1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072； 2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180； 3.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司南京輸油處，江蘇 南京 210000； 4.天津市無縫鋼管廠，天津 300220；）

1 引言

自19 世紀(jì)80年代中期4500 V 門極關(guān)斷晶閘管（gate turn off，GTO）問世以來，中壓大功率變頻器及相關(guān)傳動(dòng)行業(yè)得以迅速發(fā)展[1]。 近20年，隨著電力電子器件和微處理器技術(shù)的飛速 發(fā)展，中壓大功率變頻器的性能日益完善。目前，中壓大功率傳動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于冶金、新能源、高壓直流輸電，靈活交流輸電、電力牽引、有源濾波等眾多工業(yè)場(chǎng)合，在提高生產(chǎn)效率和節(jié)能降耗方面發(fā)揮著重要作用[2-5]。

由于傳輸功率較大，中壓大功率變頻器的功 率試驗(yàn)容易受到試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地、電源容量等許多因素的限制，完成額定容量功率試驗(yàn)的難度較大。文獻(xiàn)[6]介紹了常見的三種變頻器功率試驗(yàn)方法：等效法、模擬法和機(jī)組對(duì)拖法。對(duì)大功率變頻器來說，等效法消耗的能量太大，顯然不可行；模擬法和機(jī)組對(duì)拖法要求與被試變頻器容量相當(dāng)?shù)呐阍嚈C(jī)組，構(gòu)建這樣的試驗(yàn)系統(tǒng)需投入相當(dāng)大的成本，占地面積也較大。

對(duì)于交-直-交結(jié)構(gòu)變頻器，整流部分可以是二極管整流橋或者有源前端（Active Front-End，AFE，即通常所說的PWM 整流器）。AFE 整流的直流電壓可調(diào)，能量可以雙向流動(dòng)，變頻器能夠四象限運(yùn)行，具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。本文針對(duì)大功率AFE 變頻器提出一種簡(jiǎn)易功率試驗(yàn)方法，其基本思想是讓能量按照AFE → 負(fù)載電抗 → 逆變器 → 直流側(cè) → AFE 這一路徑循環(huán)，電網(wǎng)僅向試驗(yàn)系統(tǒng)提供線路損耗，從而實(shí)現(xiàn)用較小的功耗實(shí)現(xiàn)變頻器的大功率測(cè)試。所述方法系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、設(shè)備少、損耗小，且操作靈活。同時(shí)，本試驗(yàn)方法功率因數(shù)可調(diào)，可模擬不同工況進(jìn)行功率測(cè)試，考慮到變頻器功率器件溫升分布可能隨運(yùn)行工況的不同而不同[7]，該方法可以實(shí)現(xiàn)大功率AFE 變頻器在不同工況下的溫升測(cè)試。

2 試驗(yàn)方法原理

圖1給出了所述試驗(yàn)方法的主回路示意圖，圖中三相交流接線采用單線圖表示。

圖1 主回路示意圖 Fig.1 Schematic plan of power circuit

如圖所示，被試變頻器的AFE 和逆變器交流側(cè)通過負(fù)載電抗器相連，變頻器的直流側(cè)由二極管整流橋提供直流電壓。試驗(yàn)時(shí)，整流橋輸出的直流電壓近似恒定，通過控制AFE 和逆變器的輸出電壓，可靈活調(diào)節(jié)電抗器兩端電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)流過AFE/逆變器的電流及功率因數(shù)。

圖2給出了圖1電路對(duì)應(yīng)的原理圖。

圖2 電路原理圖 Fig.2 Schematic diagram of experiment circuit

圖2所示的電壓、電流關(guān)系為

圖3 電壓、電流相量圖 Fig.3 Phasor diagram

圖中，Δθ為滯后于的角度，φ為電流相量的相角，-φ即為功率因數(shù)角，其數(shù)值等于Δθ的一半?？梢?，對(duì)于任意給定的，若期望試驗(yàn)的電流幅值和功率因數(shù)已知，則電流相量已知，進(jìn)一步可算出期望輸出的于是，通過控制AFE 和逆變器的輸出電壓分別等于和，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)AFE 在期望輸出功率和功率因數(shù)下的功率試驗(yàn)。舉例來說，若選LT的標(biāo)幺值為10%，和的幅值均為100%，則設(shè)置Δθ= 5.8°時(shí)輸出電流達(dá)到額定，且功率因數(shù)為0.999。

理論上講，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)AFE 和逆變器輸出電壓的相角偏差和幅值偏差，功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍可以是[-1，1]。但是在一些工況下，例如幅值為100%、AFE 輸出容性無功且功率因數(shù)較低，要求的幅值大于100%。由于圖1電路中可以流通3 次諧波電流，本文方法不適合采用3 次諧波疊加方法提高調(diào)制度，裝置無法輸出大于100%的基波電壓，因此對(duì)這種輸出電壓幅值超過100%的情況，需考慮適當(dāng)減小幅值。

另外，負(fù)載電抗取值要適當(dāng)，取值過大可能無法輸出額定電流，過小則電流波形畸變會(huì)很嚴(yán)重，與實(shí)際工況不符，通常可選10%左右。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所述試驗(yàn)方案的可行性，針對(duì)一臺(tái)大功率三電平變頻器做了仿真研究。變頻器的額定值為：正、負(fù)組直流電壓設(shè)定為Udc= 2.4 kV，額定輸出電壓Un= 3.3 kV，額定輸出容量Sn= 8 MV?A。負(fù)載電抗為L(zhǎng)T= 0.4 mH，考慮到中壓變頻器通常需要限制其電壓變化率，模型中在AFE和逆變器的交流側(cè)安裝了LC 結(jié)構(gòu)的du/dt濾波器，AFE 和逆變器均采用三角波比較正弦PWM調(diào)制，載波周期1.6 ms。

3.1 運(yùn)行工況控制

考慮圖3分析的情況，設(shè)定AFE 和逆變器輸出相電壓幅值相等，有效值均為1 700 V，相角差Δθ= 6°，不難算出此時(shí)電流ⅠL= 1 400 A，功率因數(shù)0.998，AFE 輸出的有功、無功分別應(yīng)為7.1 MW和14 kvar。為了和后續(xù)試驗(yàn)系統(tǒng)保持一致，仿真的電壓、電流測(cè)量點(diǎn)選在濾波器輸出一側(cè)，這會(huì)給測(cè)量結(jié)果和理論預(yù)期造成微小誤差。圖4給出了此時(shí)AFE 側(cè)電壓電流仿真結(jié)果。

圖4 單位功率因數(shù)時(shí)的電壓、電流 Fig.4 Voltage and current waveforms under unit power factor

可以看出，圖中的電壓、電流波形與常見的三電平變流器工作電壓、電流基本相似。電壓波形中含有較大尖峰，這是由于du/dt濾波器中的電容和電感諧振所致，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)由于線路中的電阻阻尼存在，電壓尖峰會(huì)有所減小。諧波分析表明，相電壓基波約為1 670 V，電流基波約為1 340 A，相比設(shè)定值的誤差分別為1.76%和5%。其中電壓誤差主要是由于電力電子器件管壓降和du/dt濾波器上的電感分壓所致，仿真中的AFE和逆變器采用IGBT 器件，如果改為理想開關(guān)器件，上述電壓誤差會(huì)更小。仿真得出AFE 輸出的有功功率在6.8 MW 附近波動(dòng)，無功功率在0.5 Mvar 附近波動(dòng)，和預(yù)期輸出相比，有功功率的誤差約4.2%，非常接近。無功功率和期望輸出相差較大，如前所述，這是由于理論分析中沒有考慮du/dt濾波器導(dǎo)致的誤差。

為了驗(yàn)證對(duì)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，設(shè)置AFE 輸出電壓幅值為1 700 V，逆變器側(cè)輸出電壓幅值為1 580 V，兩邊電壓的相角差為Δθ= 4.6°，可以算出這一工況下的ⅠL= 1 400 A，功率因數(shù)為0.707，AFE 側(cè)的有功和無功輸出分別為5 MW 和5 Mvar，圖5給出了這一工況下的仿真結(jié)果。

圖5 功率因數(shù)0.707 時(shí)的電壓、電流 Fig.5 Voltage and current waveforms under power factor of 0.707

圖5a 所示為電感兩端電壓經(jīng)1.6 ms 平均值濾波后的結(jié)果，其實(shí)際值為AFE 和逆變器A相電壓之差。諧波分析表明，此時(shí)的電流基波約為1 340 A，與期望值非常接近；有功輸出在5 MW附近波動(dòng)，無功輸出在4.5 MVar 附近波動(dòng)，符合仿真前的預(yù)期。

3.2 功率器件損耗

變頻器功率試驗(yàn)的一個(gè)重要目的是測(cè)試其功率器件的溫升，這一溫升主要是功率器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗引起。影響功率器件損耗的主要因素有：流過器件的電流、直流電壓和器件的開、關(guān)時(shí)刻[7]。在第2 節(jié)中已指出，本文方法電壓給定不疊加3 次諧波，因此其脈沖的開、關(guān)時(shí)刻可能與疊加3 次諧波時(shí)不同，有必要對(duì)此做出分析以確認(rèn)本文方法能夠模擬實(shí)際變頻器的溫升。下面以一臺(tái)三電平變頻器為例，考察了其分別采用疊加3 次諧波和不疊加3 次諧波時(shí)的1#管脈沖，如圖6所示。

圖6 功率器件損耗仿真 Fig.6 Simulated results of power devices loss

圖6中虛線是采用本文方法的仿真結(jié)果，實(shí)線是三電平逆變器向阻感負(fù)載饋電的仿真結(jié)果，其電壓給定中疊加有3 次諧波。仿真功率因數(shù)為0.93，其他設(shè)定和3.1 節(jié)相同。居于上方的圖為1#功率器件的觸發(fā)脈沖，居于下方的圖給出了流過器件的電流。三角波是PWM 調(diào)制的載波，兩種情況的載波完全相同。由圖6可以看出，兩種方式PWM 脈沖的開、關(guān)時(shí)刻非常接近，并且在脈沖開、關(guān)時(shí)刻流過器件的電流也近似相等，因此可以推論：本文方法可以較為準(zhǔn)確的測(cè)試變頻器功率器件損耗、溫升。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

所述試驗(yàn)方法在一臺(tái)大功率三電平AFE 變頻器上做了試驗(yàn)驗(yàn)證。變頻器額定值與仿真相同，功率器件采用集成門極換流晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT），型號(hào)為5SHY 35L4520，最大耐壓4 500 V，最大反向關(guān)斷電流4 000 A。被試變頻器的實(shí)物照片如圖7所示。

圖7 大功率IGCT 三電平AFE 變頻器 Fig.7 Picture of the tested high power IGCT 3-level AFE converter

試驗(yàn)系統(tǒng)按圖1方式接線，負(fù)載電抗0.4 mH。為安全考慮，試驗(yàn)電壓、電流及輸出功率逐漸提升。首先試驗(yàn)輸出功率約1/4 額定時(shí)的工況，直流電壓設(shè)定為1 200 V，AFE 和逆變器輸出電壓給定均設(shè)為760 V，電壓相角差設(shè)為6.6°，根據(jù)上述設(shè)定可以算出輸出電流應(yīng)為700 A，功率因數(shù)大約0.998。為避免相角差計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致意外輸出大電流，試驗(yàn)中根據(jù)采樣到的電流峰值對(duì)輸入的相角差做了限定：當(dāng)電流峰值大于預(yù)設(shè)門限值，則鎖定相角差為當(dāng)前值。輸出1/4 功率時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 1/4 額定工況下的電壓、電流 Fig.8 Experimental voltage and current waveforms under half ratings

圖8中，CH1～CH3 分別為A相電壓（1 kV / 格）、AB線電壓（1 kV /格）和A相電流（500 A /格）?？梢钥闯觯妷?、電流與仿真波形非常相似，變頻器工作正常。對(duì)示波器數(shù)據(jù)的諧波分析結(jié)果表明，相電壓基波710 V，輸出電流基波583 A，和給定值有較大差別，這主要是由于電流波形中包含的某些低頻諧波，使得波峰、波谷處的幅值被抬升或降低，達(dá)到電流預(yù)設(shè)門限所致。圖中相電壓和相電流的相位幾乎一致，諧波分析結(jié)果表明，基波相角差約為4.5°，和預(yù)設(shè)值接近?？傮w來看，試驗(yàn)電壓、電流尖峰不大，波形基本保持正弦，能夠滿足模擬變頻器正常運(yùn)行工況的要求。

圖9給出了5 MW 功率試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 5 MW 功率試驗(yàn)結(jié)果 Fig.9 Experimental results of 5 MW power test

圖9中，CH1～CH3 分別為1#、2#管壓降（1 kV /格）和相電流（2 000 A /格）。直流電壓2 400 V，相電壓1 350 V，相電流1 350 A，輸出功率約 5.5 MW。圖9b 給出了1#IGCT 開通時(shí)的暫態(tài)電壓、電流，其中用示波器光標(biāo)a，b 測(cè)量出1#管壓降因限流電抗續(xù)流引起的電壓尖峰值為940 V，在IGCT 可承受范圍內(nèi)。該圖的結(jié)果反映了被試變頻器母排的雜散電感、限流電抗的值是否合理，是驗(yàn)證IGCT 變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

5 結(jié)論

本文提出一種大功率AFE 變頻器功率試驗(yàn)方法，在變頻器的AFE 和逆變器之間接入電感，通過調(diào)節(jié)AFE 和逆變器輸出電壓的幅值差和角度差，可以靈活調(diào)節(jié)AFE 的輸出電流，使得變頻器運(yùn)行在期望的功率和功率因數(shù)。該方法可以驗(yàn)證此類大功率變頻器可靠性及負(fù)載能力，考察功率器件運(yùn)行溫升，具有成本低、耗能少、對(duì)電網(wǎng)影響較小，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，所述方法具有較好的實(shí)用性及可操作性，可在一定程度上替代傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)組拖動(dòng)方法。最后，該方法不僅適用于中壓大功率場(chǎng)合，對(duì)低壓小功率變頻器試驗(yàn)也可供借鑒。

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