孫傳杰，張中磊，李 楠，徐 莉，張旭東

(天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津 300180)

中壓大功率設(shè)備在冶金、石油、礦產(chǎn)和新能源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在工業(yè)發(fā)展的過程中起到非常關(guān)鍵的作用[1]。最初，最主要的開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，此后隨著功率元器件技術(shù)的發(fā)展，在中高壓領(lǐng)域，集成門極換流晶閘管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)逐漸得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于IGBT而言，IGCT集IGBT的高速開關(guān)特性和可關(guān)斷晶閘管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)的高阻斷電壓特性以及低導(dǎo)通損耗特性于一體，從而使IGCT具有通態(tài)電流大、低導(dǎo)通損耗、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[2]。

IGCT中壓變頻器市場(chǎng)主要被國外大品牌占據(jù)，近年來，國內(nèi)開始研發(fā)IGCT器件和相關(guān)的中壓變頻裝置，中車已經(jīng)研發(fā)出IGCT器件和相關(guān)的中壓變頻裝置，國內(nèi)若干公司也完成了基于IGCT的中壓變頻器的開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

姜一達(dá)等[3]就中點(diǎn)鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)三電平中壓大功率變頻器設(shè)計(jì)進(jìn)行了拓?fù)浜突究刂品椒ǖ年U述；段志剛等[4]給出了中壓變流器的功率實(shí)驗(yàn)方法，用于證明其功率回路和吸收回路的正確性，但對(duì)其吸收回路的工作原理并未進(jìn)行說明分析；楊培[5]對(duì)ABB、西門子、TEMIC以及ALSTON等公司的多電平產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的主回路拓?fù)溥M(jìn)行了對(duì)比，以及實(shí)際應(yīng)用案例分析；謝路耀等[6]對(duì)吸收鉗位電路的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

有源整流電源(Active Front End，AFE)系統(tǒng)相比其他形式的整流系統(tǒng)來說，對(duì)電網(wǎng)更加友好，其諧波小，可以配置更小的濾波器，節(jié)省硬件成本和安裝空間[7]。IGCT中壓AFE電源為變頻器提供穩(wěn)定的直流電壓，并在需要的時(shí)候進(jìn)行能量回饋，達(dá)到節(jié)能的效果。本文就二極管中點(diǎn)鉗位型三電平拓?fù)溥M(jìn)行主回 路和吸收電路的分析，并對(duì)矢量控制方法進(jìn)行闡述。

1 電路拓?fù)?/h2>

1.1 主回路分析

主回路原理圖如圖1所示。

圖1中，直流母線由上、下2組母線電容支撐，用于穩(wěn)定直流母線電壓；主回路包括三相相同的功率單元，每一個(gè)功率單元都包括二極管鉗位型三電平拓?fù)湟约捌鋵?duì)應(yīng)的RLCD緩沖吸收回路。

以A相為例進(jìn)行分析，當(dāng)開關(guān)管V1與V2導(dǎo)通時(shí)，輸出網(wǎng)側(cè)電壓為正狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)管V2與V3導(dǎo)通時(shí)，輸出網(wǎng)側(cè)電壓為零狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)管V3與V4導(dǎo)通時(shí)，輸出網(wǎng)側(cè)電壓為負(fù)狀態(tài)，從而形成三電平電壓輸出。

當(dāng)保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流同相。當(dāng)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不為1時(shí)，設(shè)φ為功率因數(shù)角。以下4種情況的開關(guān)管導(dǎo)通和電流流向路徑圖分別如圖2的(a)、(b)、(c)、(d)所示。

①在0～φ的角度范圍內(nèi)：設(shè)定調(diào)制電壓為正，交流側(cè)輸出電流為負(fù)，開關(guān)管V2處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管V1和V3交替導(dǎo)通，當(dāng)交流側(cè)為正電壓狀態(tài)時(shí)，電流通過反并聯(lián)二極管D2、D1流入直流側(cè)；當(dāng)交流側(cè)為零狀態(tài)時(shí)，電流通過開關(guān)管V3和鉗位二極管D6流入直流中點(diǎn)。

②在φ～π的角度范圍內(nèi)：設(shè)定調(diào)制電壓為正，交流側(cè)輸出電流為正，開關(guān)管V2處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管V1和V3交替導(dǎo)通，當(dāng)交流側(cè)為正電壓狀態(tài)時(shí)，電流通過開關(guān)管V1、V2流向交流側(cè)；當(dāng)交流側(cè)為零狀態(tài)時(shí)，電流通過鉗位二極管D5和開關(guān)管V2流出直流中點(diǎn)。

③在π～(π+φ)的角度范圍內(nèi)：設(shè)定調(diào)制電壓為負(fù)，交流側(cè)輸出電流為正，開關(guān)管V3處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管V2和V4交替導(dǎo)通，當(dāng)交流側(cè)為負(fù)電壓狀態(tài)時(shí)，電流通過反并聯(lián)二極管D3、D4流入交流側(cè)，當(dāng)交流側(cè)為零狀態(tài)時(shí)，電流依舊通過鉗位二極管D5和開關(guān)管V2流出直流中點(diǎn)。

④在(π+φ)～2π的角度范圍內(nèi)：設(shè)定調(diào)制電壓為負(fù)，交流側(cè)輸出電流為負(fù)，開關(guān)管V3處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管V2和V4交替導(dǎo)通，當(dāng)交流側(cè)為負(fù)電壓狀態(tài)時(shí)，電流通過開關(guān)管V3、V4流入直流側(cè)；當(dāng)交流側(cè)為零狀態(tài)時(shí)，電流通過開關(guān)管V3和鉗位二極管D6流回直流中點(diǎn)。

1.2 吸收回路分析

本文所述電路采用工程中應(yīng)用廣泛的RLCD緩沖吸收回路，其由吸收電阻R、緩沖電感L、二極管D以及緩沖吸收電容C組成。

1.2.1 IGCT開通過程分析

初始狀態(tài)：IGCT處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)電路處于穩(wěn)態(tài)，則緩沖吸收電容C上的電壓等于直流母線電壓，吸收電阻R和緩沖電感L上均無電流，二極管D不導(dǎo)通。

IGCT開通瞬間：當(dāng)觸發(fā)IGCT導(dǎo)通時(shí)，IGCT兩端電壓迅速降為0，由于緩沖電感L的限流作用，IGCT流過的電流逐漸增大，其電流變化率為：

式中，Di代表電流變化的大小，A；dt代表電流變化過程的時(shí)間，s；Udc為直流母線電壓，V；L為緩沖電感的電感量，H。

IGCT開通暫態(tài)過程中流過的電流由續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和負(fù)載電流組成，所以其暫態(tài)電流大于IGCT導(dǎo)通時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流。在IGCT流過的電流逐漸增大的過程中，緩沖電感L所感應(yīng)出的電壓，使得二極管D承受反向電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)。

IGCT流過電流從電流尖峰值減小到負(fù)載電流的過程：此時(shí)緩沖電感感應(yīng)出電壓，使得二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，二極管D流過的電流使吸收電容C上的電壓逐漸升高，當(dāng)吸收電容C上的電壓升高到一定階段后，二極管D流過的電流逐漸減小，使得二極管D承受反向電壓而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，然后緩沖吸收電容C通過吸收電阻釋放能量，直到緩沖吸收電容C的端電壓與直流母線電壓相等。

1.2.2 IGCT關(guān)斷過程分析

初始狀態(tài)：IGCT處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，其流過的電流等于負(fù)載電流，緩沖吸收電容C上的電壓和直流母線電壓相等，緩沖回路中的電感L上的電流與流過IGCT的電流相等，緩沖回路中的其他元器件中無電流流過，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)。

IGCT關(guān)斷瞬間：當(dāng)通過信號(hào)關(guān)斷IGCT時(shí)，流經(jīng)IGCT的電流迅速下降，緩沖電感L因電流的變化，其兩端感應(yīng)出電壓差，使得IGCT兩端承受的電壓出現(xiàn)一個(gè)尖峰，該尖峰高于直流母線電壓，也使得二極管D承受正向電壓而導(dǎo)通，從而IGCT兩端的電壓開始下降，緩沖吸收電容C的電壓將升高。

當(dāng)IGCT完全關(guān)斷，其電流降到0的時(shí)候：由于緩沖電容C上電壓的升高，造成IGCT兩端的電壓出現(xiàn)第2個(gè)高峰，當(dāng)二極管D承受反壓而關(guān)斷后，緩沖吸收電容C的能量通過吸收電阻開始釋放，IGCT兩端的電壓逐漸恢復(fù)到直流母線電壓值。

2 矢量控制

AFE系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)基本整流器的功能，又可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的控制，利用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方法，保證直流母線電壓的穩(wěn)定，加快對(duì)直流側(cè)突加、減負(fù)載的響應(yīng)?？傮w控制框圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)需要采集網(wǎng)側(cè)三相交流電壓Ua、Ub、Uc，三相交流電流Ia、Ib、Ic以及直流側(cè)母線電壓Udc。利用三相交流電壓進(jìn)行鎖相PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))處理，可以獲得網(wǎng)側(cè)電壓的基準(zhǔn)角度φ，也可以獲得網(wǎng)側(cè)電壓的電壓模值UD，進(jìn)而根據(jù)功率因數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)需要的無功分量。三相交流電流采樣可以經(jīng)3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換獲得網(wǎng)側(cè)實(shí)際電流的d軸分量和q軸分量。電壓外環(huán)利用直流電壓給定Uset和實(shí)際直流電壓采樣進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，再疊加有功電流IL前饋之后獲得有功電流的給定值，有功電流前饋可以有效提高電壓環(huán)的響應(yīng)速度。電流內(nèi)環(huán)經(jīng)PI控制之后，疊加相應(yīng)的前饋量，獲得最終的系統(tǒng)有功電壓給定量和無功電壓給定量再根據(jù)旋轉(zhuǎn)變換和2/3變換獲得三相給定電壓，從而進(jìn)行PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)調(diào)制。其中，旋轉(zhuǎn)變換所需的角度根據(jù)不同的PWM調(diào)制策略進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。為最大限度地提高系統(tǒng)的輸出能力和減少網(wǎng)側(cè)諧波，調(diào)制策略一般會(huì)選用空間矢量脈寬調(diào)制、特定消諧或者諧波抑制等PWM調(diào)制 方法。

3 實(shí)驗(yàn)

當(dāng)該電路系統(tǒng)根據(jù)上述矢量控制方法使其穩(wěn)定工作在直流母線電壓2400V，交流電流1400Arms時(shí)，獲得IGCT開通和關(guān)斷時(shí)刻的電壓波形，如圖4所示。

當(dāng)IGCT導(dǎo)通時(shí)刻，其兩端電壓迅速下降，IGCT完全導(dǎo)通后，其兩端電壓在零電壓附近，PWM輸出電壓為高電平。當(dāng)IGCT關(guān)閉時(shí)刻，其兩端電壓迅速升高，由于緩沖吸收回路的作用形成2個(gè)電壓高峰，然后其兩端電壓穩(wěn)定在直流母線電壓附近，PWM輸出電壓為零電平。

其中：UIGCT為IGCT兩端承受的電壓，UPWM為交流側(cè)PWM電壓。

4 總結(jié)

本文就IGCT的基本特性進(jìn)行了闡述，對(duì)基于IGCT的二極管中點(diǎn)鉗位型三電平電路拓?fù)涞墓ぷ髟磉M(jìn)行了分析，并且對(duì)經(jīng)典RLCD吸收回路的工作原理進(jìn)行細(xì)節(jié)剖析；根據(jù)矢量控制方法，AFE系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的分別控制，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)任意可調(diào)，并給出了完整的矢量控制框圖及其說明。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了矢量控制方法和吸收回路工作原理分析的正確性。