蘭志明 王成勝 段 巍 楊瓊濤 李 凡

基于IGCT的大功率五電平中點(diǎn)鉗位/H橋變流器

蘭志明1,2王成勝2段 巍2楊瓊濤2李 凡2

（1. 冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院 北京 100071 2. 北京金自天正智能控制股份有限公司 北京 100070）

將三電平中點(diǎn)鉗位（NPC）交直交變流技術(shù)和H橋級(jí)聯(lián)技術(shù)相結(jié)合的五電平NPC/H橋變流器可以實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的輸出電壓和容量。該文研究基于集成門極換向晶閘管（IGCT）的大功率五電平NPC/H橋變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式減少了雜散參數(shù)。在變流器輸出中低頻時(shí)采用一種改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制（IPD-SPWM）方法，并提出一種解決低調(diào)制度時(shí)最小脈寬問(wèn)題的方法。在變頻器輸出高頻時(shí)采用特定諧波消除脈寬調(diào)制（SHEPWM）方法來(lái)減小輸出電壓的總諧波畸變率（THD），并給出計(jì)算的開(kāi)關(guān)角度軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該文研制的變流器所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)制方法的可行性，表明變流器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有良好的性能。

集成門極換向晶閘管 中點(diǎn)鉗位（NPC）/H橋 五電平 正弦脈寬調(diào)制 特定諧波消除脈寬調(diào)制

0 引言

近年來(lái)，中高壓大功率變流器在能源與電能變換、風(fēng)能及光能等新能源接入、節(jié)能減排等國(guó)家能源戰(zhàn)略中起到重要作用[1]，并廣泛應(yīng)用于大型油氣管道輸送、液化天然氣壓縮、大型風(fēng)洞驅(qū)動(dòng)、艦船推進(jìn)等領(lǐng)域[2]。而在對(duì)控制精度和性能要求更高的場(chǎng)合，交直交變流器逐步取代交交變流器成為主流[3]。例如，在大型空氣壓縮機(jī)中，大功率高壓同步電機(jī)成為普遍的選擇，其容量一般能達(dá)到幾兆瓦至數(shù)十兆瓦。因而，基于集成門極換向晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）的大功率變流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為一個(gè)有力的解決方案[4]。

IGCT屬于電流控制型半導(dǎo)體器件[5]，因其更高的開(kāi)關(guān)頻率（可達(dá)1kHz）、更低的通態(tài)損耗和斷態(tài)損耗、更簡(jiǎn)單的門極驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)勢(shì)[6]，取代了門極關(guān)斷晶閘管（Gate Turn-Off thyristor, GTO）在中高壓大容量交直交變流器領(lǐng)域中的地位，并得到了廣泛應(yīng)用[7]。為提高效率，大功率變流器通常采用增加額定電壓的方式來(lái)減少通態(tài)損耗。受電力電子器件耐壓等級(jí)的限制，多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域的首選方案[8]。將三電平中點(diǎn)鉗位（Neutral-Point-Clamped, NPC）交直交變流技術(shù)和H橋級(jí)聯(lián)技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)變流器輸出更高等級(jí)的電壓和容量[9]。

本文研究了基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器，設(shè)計(jì)了變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用功率模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少主電路中的雜散電感。該變流器在低頻輸出時(shí)采用一種改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制（Improved Phase Disposition-Sinusoidal Pulse Width Modulation, IPD-SPWM）策略，且提出了一種低調(diào)制度時(shí)解決最小脈寬問(wèn)題的方法。在高頻輸出時(shí)變流器采用特定諧波消除脈寬調(diào)制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation, SHEPWM）方法，減小開(kāi)關(guān)次數(shù)的同時(shí)具有良好的諧波特性[10]。所研制的變流器已在大型軸流空氣壓縮機(jī)上進(jìn)行工程示范應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了變流器所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和脈寬調(diào)制方法的可行性，同時(shí)表明了所研制的變流器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有良好的性能。

1 變流器主電路設(shè)計(jì)

1.1 變流器拓?fù)?/h3>

本文研究的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)變壓器輸入到變流器的整流電路。變流器包含三相相對(duì)獨(dú)立的功率電路，每相電路都包含整流電路、直流電容、逆變電路及其他所需要的輔助電路部分。整流電路采用兩組三相二極管不控整流橋，相當(dāng)于12脈波不控整流。變流器三相電路的6組整流橋需要進(jìn)線變壓器提供6組輸出作為整流的進(jìn)線。變流器采用兩臺(tái)四繞組移相變壓器，變壓器一次側(cè)分別采用三角形聯(lián)結(jié)和星形聯(lián)結(jié)，相位相差30°。每臺(tái)移相變壓器的3個(gè)二次繞組輸出相位分別相差20°。通過(guò)這種方式，可達(dá)到等效36脈波不控整流電路的諧波消除效果，減小了入網(wǎng)電流的諧波畸變率。每相的逆變電路由兩個(gè)三電平NPC橋臂組成H橋結(jié)構(gòu)，其中左橋臂的輸出連接到三相逆變公共端，右橋臂的輸出作為變流器的該相輸出。

圖1 IGCT五電平NPC/H橋變流器拓?fù)?/p>

本文研制的大功率變流器，采用型號(hào)為5SHY35L4520的IGCT功率器件，規(guī)格為4 500V/ 4 000A。變流器單相直流額定電壓5kV，采用改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制（IPD-SPWM）且注入零序諧波時(shí)，其輸出線電壓提高15.5%，可達(dá)到6 900V的設(shè)計(jì)要求，輸出相電流有效值可達(dá)到1.7kA，容量可達(dá)到20MV·A。

1.2 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器，在研制中采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將變流器中的三相二極管整流單元、直流電容、IGCT三電平NPC功率橋臂等，都設(shè)計(jì)成緊湊的功率模塊，可以有效減小變流器線路的雜散參數(shù)，同時(shí)也減小了變流器的體積，提高了功率密度，且便于后期的維修和替換。以IGCT三電平NPC功率橋臂為例，每個(gè)橋臂中含有4個(gè)主開(kāi)關(guān)功率器件IGCT，4個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管，兩個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管，兩組由電阻、電感、電容和二極管組成的RLCD緩沖吸收電路，最終設(shè)計(jì)的包含IGCT門極電源及水冷管路在內(nèi)的三電平NPC功率模塊如圖2所示。

圖2 IGCT三電平NPC功率模塊

功率模塊中的IGCT在2 500V、2 500A時(shí)的開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。關(guān)斷時(shí)端電壓的第一尖峰約為3 300V，第二尖峰約為3 700V，而采用的IGCT器件的安全關(guān)斷電壓峰值為4 500V，保留有較大的安全裕度。這表明，IGCT功率單元采用的緩沖吸收電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠保證變流器在額定電壓和電流下安全運(yùn)行。

圖3 IGCT開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)波形

2 變流器PWM策略

在確定的變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，決定變流器性能的關(guān)鍵技術(shù)就是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）技術(shù)[11]。可應(yīng)用于五電平NPC/H橋拓?fù)涞腜WM方法很多，主要有載波層疊正弦脈寬調(diào)制、改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制、空間矢量脈寬調(diào)制、特定諧波消除脈寬調(diào)制等方法[12]。本文從各個(gè)調(diào)制方法的實(shí)現(xiàn)難易程度、諧波特性、中點(diǎn)平衡能力等多方面考慮，最終確定了變頻器在中低頻輸出時(shí)采用改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制（IPD- SPWM）、高頻輸出時(shí)采用特定諧波消除脈寬調(diào)制（SHEPWM）的混合調(diào)制方案。

2.1 IPD-SPWM

兩電平H橋電路通常采用一個(gè)載波和兩個(gè)相差180°的調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓等效開(kāi)關(guān)頻率提高一倍。這種倍頻PWM技術(shù)可以進(jìn)行一定調(diào)整后引入到五電平NPC/H橋單元中[13]。通過(guò)兩個(gè)同相層疊的載波和兩個(gè)相差180°的調(diào)制波調(diào)制就可以實(shí)現(xiàn)五電平NPC/H橋單元輸出倍頻的目的。兩個(gè)相位相反的調(diào)制波分別用來(lái)調(diào)制變流器每相的兩個(gè)三電平NPC橋臂。這種方法被稱作改進(jìn)型載波層疊（Improved Phase Disposition, IPD）調(diào)制[14]。

假設(shè)變流器理想的三相調(diào)制電壓分別為u、v和w，為了提高直流電壓利用率從而提高交流輸出電壓，可以在調(diào)制電壓中加入式（1）的零序偏置電壓，將直流電壓利用率提高15.5%。

式中，max( ) 和min( ) 分別為求取三相調(diào)制電壓的最大值和最小值。將三相調(diào)制電壓分別疊加式（1）中的零序偏置電壓，得到變流器最終三相的輸出橋臂調(diào)制電壓ru+、rv+和rw+；將其取反，就可以得到三相中公共輸出橋臂的調(diào)制電壓ru-、rv-和rw，其表達(dá)式分別為

以變流器U相為例，IPD-SPWM原理如圖4所示，兩個(gè)橋臂的調(diào)制波ru+和ru-分別與上下載波c1和c2進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)調(diào)制波大于兩個(gè)載波c1、c2時(shí)，橋臂輸出正電平；當(dāng)調(diào)制波小于上載波c1而大于下載波c2時(shí)，橋臂輸出零電平；當(dāng)調(diào)制波小于載波c1和c2時(shí)，橋臂輸出負(fù)電平。

圖4 IPD-SPWM原理

變流器低壓實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制度分別為0.3和0.85時(shí)，U相電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。圖中從上到下，分別為U相左橋臂電壓、右橋臂電壓和相輸出電壓波形。調(diào)制度為0.3較低時(shí)輸出相電壓為三電平，此時(shí)線電壓為五電平。調(diào)制度為0.85較高時(shí)輸出相電壓為五電平，此時(shí)線電壓為九電平。

圖5 變流器U相電壓實(shí)驗(yàn)波形

2.2 低調(diào)制度優(yōu)化調(diào)制策略

IGCT器件由于開(kāi)關(guān)速度的限制，有最小脈寬的要求。當(dāng)脈寬小于某閾值時(shí)，器件便可能無(wú)法正常開(kāi)關(guān)，不能產(chǎn)生正確的PWM電壓波形，且容易損壞器件。在IPD-SPWM策略中，調(diào)制度很低時(shí)，調(diào)制波幅值小，調(diào)制時(shí)容易產(chǎn)生小于閾值的脈沖。為了克服這個(gè)問(wèn)題，低調(diào)制度時(shí)引入一種優(yōu)化調(diào)制模式，低調(diào)制度優(yōu)化調(diào)制原理如圖6所示。以U相為例，假設(shè)理想的兩個(gè)橋臂調(diào)制波分別為ru+和ru-，在低調(diào)制度優(yōu)化調(diào)制模式中，將兩個(gè)橋臂的調(diào)制波各自分解為上下兩個(gè)調(diào)制信號(hào)，分別為

（4）

在每個(gè)橋臂的調(diào)制中，如果分解后的兩個(gè)調(diào)制波都大于載波，則輸出正電平；如果兩個(gè)調(diào)制波都小于載波，則輸出負(fù)電平；否則輸出零電平。

變流器低壓實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制度為0.1時(shí)采用低調(diào)制度優(yōu)化調(diào)制模式，低調(diào)制度U相電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示，從上到下分別為左橋臂輸出電壓、右橋臂輸出電壓和相輸出相電壓。此時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全滿足IGCT器件的最小脈寬要求。

圖7 低調(diào)制度U相電壓實(shí)驗(yàn)波形

2.3 SHEPWM

基于IGCT的大功率變流器開(kāi)關(guān)頻率較低，在輸出頻率很高時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)較少，此時(shí)可以采用SHEPWM，以獲得良好的諧波性能。令每相中兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)角數(shù)和輸出電壓有效值一致，可以保證兩個(gè)橋臂器件開(kāi)關(guān)損耗和輸出功率的平衡。假設(shè)兩個(gè)橋臂1/4周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)角數(shù)都為，聯(lián)立兩個(gè)橋臂的SHEPWM角度方程為

利用Matlab軟件的fsolve函數(shù)，求解出不同調(diào)制度下開(kāi)關(guān)角數(shù)=5和=3的一組角度解軌跡如圖8所示。

SHEPWM下，變流器低壓實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制度=0.7且=5和調(diào)制度=0.95且=3時(shí)的U相電壓波形如圖9所示。波形從上到下分別為U相左橋臂輸出電壓、右橋臂輸出電壓和相輸出壓波形。

圖9 SHEPWM變流器U相電壓波形

3 變流器實(shí)驗(yàn)

本文研制的基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器樣機(jī)包括進(jìn)線柜、二極管整流柜、IGCT逆變柜1、直流電容柜和IGCT逆變柜2、放電柜、控制柜和水冷系統(tǒng)柜等，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積更小、功率密度更高。大功率IGCT五電平NPC/H橋變流器樣機(jī)如圖10所示。

圖10 大功率IGCT五電平NPC/H橋變流器樣機(jī)

所研制的IGCT五電平NPC/H橋變流器在直流電壓5 000V條件下，采用三相電抗器對(duì)稱負(fù)載，輸出電流峰值2 500A，有效值1 770A時(shí)，IGCT器件端電壓和變流器輸出電流波形如圖11所示。

圖11 IGCT端電壓和變流器輸出電流波形

變流器在額定直流電壓5 000V時(shí)拖動(dòng)高壓同步電機(jī)機(jī)組輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形，輸出50Hz時(shí)，在1/4分壓電阻上測(cè)得輸出線電壓和輸出電流波形如圖12所示。此時(shí)分壓電阻上相電壓有效值1.73kV，變流器輸出線電壓有效值達(dá)到6.9kV，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于IGCT的大功率五電平NPC/H橋變流器進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式減少雜散參數(shù)。變流器輸出頻率較低時(shí)采用一種改進(jìn)型載波層疊正弦脈寬調(diào)制（IPD-SPWM）方法，并提出了一種解決低調(diào)制度時(shí)最小脈寬的方法。高頻時(shí)采用SHEPWM方法，并給出了計(jì)算的開(kāi)關(guān)角度解軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文采用的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)制方法的可行性，表明變流器達(dá)到了輸出電壓和功率容量的設(shè)計(jì)要求，具有良好的性能。

圖12 同步電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)變流器輸出波形

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Investigation on IGCT-Based on Large Power Five-Level Neutral-Point-Clamped/H-Bridge Converter

1,22222

（1. Automation Research and Design Institute of Metallurgical Industry Beijing 100071 China 2. Beijing Aritime Intelligent Control Co. Ltd Beijing 100070 China）

With the combination of the three-level neutral-point-clamped (NPC) technology and H-bridge cascade technology, the five-level NPC/H-bridge converter can improve the output voltage and power capacity. In this paper, the topology of large power five-level NPC/H-bridge converter based on integrated gate-commutated thyristor (IGCT) was investigated, and the modular structure design was adopted to reduce the stray inductance. An improved phase disposition sinusoidal pulse width modulation (IPD-SPWM) method is used when the converter works at low and medium frequencies, and a method to solve the minimum pulse width problem with small modulation depth is proposed. The selective harmonic elimination pulse width modulation (SHEPWM) method is adopted to reduce the output voltage total harmonic distortion (THD) when the converter works at high frequency, and the trajectory curves of switch angles are given. The experimental results verify the feasibility of the topology design and pulse width modulation method proposed in this paper, and show that the converter meets the design requirements and has excellent performance.

Integrated gate-commutated thyristor (IGCT), neutral-point-clamped (NPC)/H-bridge, five- level, sinusoidal pulse width modulation, selective harmonic elimination pulse width modulation

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90329

TM464

蘭志明 男，1979年生，博士，研究方向?yàn)橹懈邏捍蠊β首兞髌鳌-mail: lanzhm1979@163.com（通信作者）

王成勝 男，1976年生，教授級(jí)高工，研究方向?yàn)橹懈邏捍蠊β首兞髌?。E-mail: wangcs_arim@126.com

2020-07-09

2020-10-28

（編輯 陳 誠(chéng)）