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摘 要：介紹了基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的技術特點和工作原理，分析了兩電平高壓變頻器的試驗波形及其在電廠中的運行情況和節能效果，探討了電壓源兩電平高壓變頻器的應用前景。 0 引言 在國際能源緊缺、全球氣候變暖的嚴峻形勢下，減少能源消耗、減少溫室氣體大量排放成為當務之急。實踐證明，對一定工況下的工業電動機進行變頻調速是一種行之有效的節能方式。根據統計，我國僅待調速節能的風機就有4000多萬臺，年耗電約1 5oo億kW·h，節能潛力達450億kW·h／年，節能潛力巨大[1l。 節能效果顯著的高壓變頻器早期之所以推廣速度緩慢，一方面是因為一次性投入較大且一些產品可靠性不高，另一方面是因為應用變頻器以后會帶來一些新的問題，如電網諧波污染、電機諧波損耗發熱及電機絕緣老化等。隨著國家對節能減排的重視和變頻器技術的發展，高性價比高壓變頻器的應用越來越多普通變頻器往往具有較高的di／dt和du／dt電應力，電路輸出含有較高的諧波，而通過采用合理的電路拓撲結構可有效地降低其di／dt和du／dt，通過采用合理的控制算法可降低其諧波輸出，從而在大大提高變頻器本身可靠性的同時降低對電網的諧波污染。而基于IGGT器件的兩電平高變頻器產品，輸出諧波含量小于2％，效率高達98％。 1 變頻器技術介紹 普通級聯高壓變頻器主回路拓撲和功率單元內部電路分別如圖1、圖2所示，基于IGCT器件的兩電平變頻器主電路拓撲如圖3所示。 由圖3可知，兩電平高壓（6 kv）變頻器串聯后的單個功率管要承受的額定電壓為6000×√2÷≈32800（v），最大運行電壓達到2 800×1．15×1．08≈3500（v）（考慮過電壓15％和變壓器阻抗8％），這對單管吸收回路及其控制提出了很高的要求。由圖1、圖2可知，級聯產品每個功率管需要承受的額定電壓為6000÷√3×√2÷5×1．15×1．08 ≈1 200（V）。因此，兩電平拓撲高壓變頻器的實現難度要比級聯式變頻器高得多。該兩電平高壓（6 kV）變頻器具有如下特點： （1）級聯式變頻器需要150只功率管，而兩電平變頻器只需要36只功率管，因此，兩電平變頻器的故障幾率可以大大降低，可靠性得到極大提高； （2）級聯式變頻器的變壓器出線達45根，而兩電平變頻器出線僅9根，使故障概率明顯減小； （3）級聯式變頻器不允許將電機放到離變頻器過遠的地方，以防止機端反激等原因造成變頻器異常保護甚至變頻器和電機損壞，而兩電平變頻器具有Lc濾波環節，輸出電纜中不存在大的du／dt，不存在機端反激現象，因而不存在這樣的限制； （4）在能量流方面，兩電平變頻器只需將整流電路稍加改造即可實現4象限運行，這是當前的級聯式變頻器技術所做不到的； （5）兩電平變頻器中采用高壓金屬膜電容器而不采用電解電容器，使整機壽命可達10年以上，這也是級聯式變頻器很難實現的。 2 基于IGCT器件的兩電平技術介紹 圖3是兩電平高壓變頻器的主電路拓撲，逆變部分使用了高耐壓、大電流的功率開關器件IGCT，其內部集成有反并聯續流二極管；為了減小對電網的沖擊，整流電路采用18脈沖二極管整流結構。其核心技術為特定消諧技術、Lc濾波技術及多IGCT串聯均壓技術等。 在設計中，將特定消諧技術和LC濾波技術進行了完美結合，取得了較為理想的效果。試驗測得兩電平高壓變頻器輸出電壓和電流波形如圖4所示，其中幾乎沒有諧波和大的du／dt存在，這對電機絕緣沒有任何損傷；同時，將濾波電容中點接地可以消除共模電壓（即消除電機軸向電壓），使電機使用壽命不受影響。 基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的設計難點在于多個串聯功率管的動態均壓。經過嚴格計算、精確仿真和反復試驗改進，得到了額定電流條件下功率管關斷均壓實測波形，如圖5所示。圖5中第2峰值電壓分別為3525V，3360V和3240V，此處3只功率管的電壓與電壓平均值的偏差均小于5％，達到了很好的均壓效果。 動態均壓電路如圖6所示，該電路在帶來良好均壓效果的同時會造成IGCT開通瞬間di／dt過大，這是IGCT器件所不允許的。從抑制di／dt的角度考慮，需要增加電阻阻值，但大電阻必然會降低動態均壓的效果。因此，圖5所示的均壓不是最佳效果，而是考慮di／dt后的綜合結果。 在關鍵工藝方面，由于采用橫向功率管壓裝技術，功率回路功率密度大為提高，即使含濾波回路，兩電平高壓變頻器的體積和質量也明顯小于其他產品。 3 運行效果 揚州發電有限責任公司330MW機組凝結水泵（1120kW）在進行變頻改造以前，機組滿負荷運行時電機的工作電流為126A，負荷降低時電流降低很少。進行變頻改造后，機組滿負荷時變頻器輸入電流為92A，機組210MW負荷時變頻器輸入電流為41A，綜合節電在35％以上。該泵改造前年耗電約8×1000000kW·h，改造后年耗電約5×1000000kW·h，按上網電價0．39元／（kW·h）計算，每年至少可節省電費I10萬元，經濟效益相當可觀。在節能的同時，電廠電機控制自動化水平也得到了很大提高。 4 結論 從上面的分析可以看出，兩電平高壓變頻器具有非常出色的性能，在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延長電機的使用壽命及提高系統的工作穩定性等方面均有很大的優勢。在電力系統、煤礦、城市供水等對設備可靠性、安全性要求很高的應用場合，采用輸出諧波含量低、對負載損傷小的兩電平高壓變頻器是一種很好的選擇。 |
