王小濤，廖麗貞，趙 宇

(1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000)

IGBT串聯(lián)的三電平風(fēng)電變流器拓撲研究

王小濤1，廖麗貞2，趙 宇3

(1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；3.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000)

三電平拓撲結(jié)構(gòu)簡單可靠，但由于開關(guān)器件的耐壓水平限制，低壓單管IGBT拓撲的交流側(cè)輸出電壓、功率水平均較低。提出一種新型IGBT串聯(lián)的三電平風(fēng)電變流器。首先，采用了T型三電平結(jié)構(gòu)，并在正負母線回路中使用兩管1.7 kV的IGBT串聯(lián)，即可輸出3 kV的交流側(cè)電壓；其次，給出了IGBT串聯(lián)提高開關(guān)頻率的原理、IGBT串聯(lián)的保護與均壓方案。最后，建立了3 kV電壓等級的實驗平臺，驗證了IGBT串聯(lián)型三電平拓撲的有效性。

三電平拓撲；風(fēng)電變流器；開關(guān)頻率；串聯(lián)均壓

0 引 言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，風(fēng)電變流器產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外常見的風(fēng)電變流器有雙饋型、全功率型，電壓等級從380 V到6 kV不等。對于高于1 kV以上的中壓型變流器，采用三電平、多電平拓撲具有優(yōu)勢，可以提高輸出交流側(cè)電壓的正弦度、功率密度，提高電能質(zhì)量。

目前，常見的中壓三電平變流器以二極管箝位型拓撲居多，例如ABB、艾默生等公司的風(fēng)電系列產(chǎn)品。文獻[1]給出了3 kV全功率風(fēng)電變流器的拓撲結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)，給出了機、網(wǎng)側(cè)變流器功率器件的損耗分析，并利用Matlab與GH Bladed軟件對系統(tǒng)進行了仿真分析。文獻[2]針對3 kV風(fēng)電變流器，提出采用2個低壓IGBT、1個高壓IGBT串聯(lián)的二極管箝位型混合拓撲以降低器件損耗。此種拓撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，3個IGBT的型號不同、驅(qū)動電路差異等因素導(dǎo)致均壓方案十分困難。并且僅進行了單相模塊的測試，未進行三相系統(tǒng)實驗，缺乏說服力。

考慮到T型三電平拓撲器件的損耗比二極管箝位型低，結(jié)構(gòu)相對簡單、更容易擴展IGBT串聯(lián)回路,因此，提出一種T型三電平風(fēng)電變流器，并在正負電平回路中使用兩管IGBT串聯(lián)。采用IGBT串聯(lián)后，單管承受的電壓降低一半，損耗也大幅降低。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，既可以降低損耗、提高開關(guān)頻率，又可以降低開關(guān)器件的成本與電壓等級。進一步，給出了主回路參數(shù)的計算方法，并提出一種新型的運放+滯環(huán)電路相結(jié)合的有源電壓控制(active voltage control，AVC)方案對驅(qū)動板優(yōu)化，改善器件串聯(lián)不均壓衡。仿真分析了IGBT串聯(lián)器件的保護方案特點，并介紹了SVPWM的調(diào)制方法。

最后，對3 kV/1.5 Mvar全功率三電平變流器的主回路拓撲、控制系統(tǒng)進行實物系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，所提新型三電平變流器的IGBT均壓較佳，電流響應(yīng)速度快，輸電流諧波含量小。

1 T型三電平全功率變流器的拓撲

1.1 主回路拓撲

以全功率背靠背型風(fēng)電變流器為研究對象，可適用于永磁型發(fā)電機組，見圖1所示。圖1中，整個變流器包括網(wǎng)側(cè)、機側(cè)兩部分，可在四象限區(qū)域穩(wěn)定運行。網(wǎng)側(cè)通過LCL型濾波器與電網(wǎng)連接，機側(cè)采用L型濾波器與永磁發(fā)電機組連接。

圖1 T型全功率風(fēng)電變流器的拓撲結(jié)構(gòu)

變流器的單相拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，T型三電平結(jié)構(gòu)將中點改為IGBT開關(guān)器件換流，可對IGBT進行控制實時切換正負電平。

圖2 單相T型三電平拓撲結(jié)構(gòu)

圖2中，創(chuàng)新點在于在正負電平回路中采用了兩管IGBT串聯(lián)。其優(yōu)點是，對于正負電平回路，單個IGBT所承受的正向阻斷電壓為UdcP或UdcN的一半。既可以降低IGBT的電壓型號，又降低期間損耗、提高開關(guān)頻率。

1.2 主回路的IGBT參數(shù)計算

交流側(cè)額定電壓Uline(peak)=4 242 V，額定電流Iphase(rms)=289 A。

以下給出IGBT參數(shù)的計算步驟。

1)設(shè)計直流母線電壓的參數(shù)。

直流母線電壓Udc的選擇，需要考慮到交流電壓水平、電抗器分壓等問題。由于采用了三電平SVPWM調(diào)制方案，故調(diào)制比k=1，采用式(1)計算Udc：

Udc=(1.1Uline(peak)+UL(peak))/1 =1.1×4 242+0.05×4 242 =4 878 V

(1)

式中，UL(peak)為等效電抗器分壓值。

因此，選取Udc=5 000 V。

則正負母線電壓為

UdcP=UdcN=2 500 V

(2)

2)計算IGBT的電壓、電流極限值。

考慮極端情況，即兩管串聯(lián)IGBT電壓偏差保護允許范圍，則單管IGBT承受的最大直流電壓為

umax=udc_sw+Δudc_half+Δuigbt

(3)

式中：udc_sw=1 250 V，為正負母線電壓的一半；Δudc_half=125 V，為正負母線電壓的波動(取5%)；Δuigbt=125 V，為IGBT器件不均壓保護范圍內(nèi)的電壓差異(取udc_sw的10%)。

可得

umax=1 500 V

(4)

還要考慮電流的最大值，取1.2倍額定電流的過載能力：

Imax=1.2Ie=1.2×289=347 A

(5)

3)選擇合適的IGBT型號。

根據(jù)式(4)、式(5)的數(shù)據(jù)，選擇Infineon IGBT FF450R17IE4，該器件內(nèi)置了反并聯(lián)二極管，電壓為1.7 kV，額定電流為450 A，可滿足電壓與電流要求。

以下通過IGBT的損耗計算，來說明IGBT串聯(lián)后提高開關(guān)頻率的可行性。常規(guī)的3.3 kV IGBT一般只能采用1 kHz的開關(guān)頻率，而采用兩管1.7 kV IGBT后，可適地提高開關(guān)頻率至1.5 kHz。

圖3 兩種結(jié)構(gòu)的IGBT損耗曲線

首先，從穩(wěn)態(tài)分析，在額定電流下串聯(lián)結(jié)構(gòu)比單管結(jié)構(gòu)的IGBT開關(guān)損耗大幅減小，參見圖3利用Infineon制造商提供的軟件仿真做的損耗分析。單管結(jié)構(gòu)在頻率fs=1 500 Hz下很容易過溫，而串聯(lián)結(jié)構(gòu)則不會因損耗大而過溫；其次，考慮暫態(tài)過程，即IGBT發(fā)生不均壓、過壓故障時，也不會因開關(guān)頻率高觸發(fā)過溫。因為，在保護時間內(nèi)，過壓暫態(tài)是微秒級別，而溫度的時間尺度則是秒級。綜合分析，可根據(jù)IGBT電壓的利用率，相應(yīng)地提高開關(guān)頻率fs=1.5 kHz。

2 IGBT串聯(lián)的均壓方案

開關(guān)器件的串聯(lián)可提高輸出電壓，但卻帶來器件之間的動態(tài)電壓不一致。例如，驅(qū)動硬件電路差異、脈沖不同步、器件等效阻抗差異等因素引起各器件開通、關(guān)斷暫態(tài)電壓的偏差。目前，串聯(lián)均壓技術(shù)可分為主動控制、間接控制兩大類[3-4]。主動控制方案指對驅(qū)動信號進行反饋閉環(huán)控制，間接控制主要指通過施加RC或RCD無源緩沖電路。一般采用這兩種技術(shù)結(jié)合的均壓方案效果較好。

采用主動控制+間接控制相結(jié)合的方案，其中，主動控制采用有源電壓控制，間接控制采用RC電路，見圖2中的RC?？紤]到傳統(tǒng)有源電壓控制方案Vce外環(huán)單純運放電路的不足，采用運放電路+滯環(huán)電路對Vce外環(huán)控制進行改進。

圖4 有源電壓控制電路

3 IGBT串聯(lián)的故障保護方案

IGBT串聯(lián)的保護方案也需要改進：IGBT串聯(lián)時，當檢測到過流、過壓、短路故障不得由驅(qū)動板單獨關(guān)斷器件，而應(yīng)由上級控制對兩管統(tǒng)一發(fā)送軟關(guān)斷信號。如圖2所示，具體的實現(xiàn)方案是，S1/S2、S3/S4管可以觸發(fā)故障，但應(yīng)由上級控制電路同時關(guān)斷 IGBT。對S5、S6管，則可以由驅(qū)動板自行處理，立即關(guān)斷 IGBT并觸發(fā)故障信號。

以下對PWM脈沖不同步的故障進行分析?？紤]兩種類型的短路故障：Ⅰ是串聯(lián)IGBT在斷態(tài)短路，而后開通脈沖；Ⅱ是在通態(tài)直接進入短路狀態(tài)。圖5為采用Saber軟件搭建的兩管IGBT串聯(lián)Ⅱ類故障電路仿真。取直流電壓1 400 V、驅(qū)動電壓15 V，則單管承受的電壓為700 V。

圖5中，在t=15 μs后設(shè)置兩管IGBT的脈沖不一致。當t=15 μs后出現(xiàn)Ⅱ類故障，兩管的關(guān)斷速率不一致。IGBT2退飽和速率快，14 μs后自行檢測故障并關(guān)斷，則IGBT1管完全承受全部母線電壓，短路電流不再上升。t=80 μs時，再對兩管下發(fā)統(tǒng)一關(guān)斷信號，但IGBT1發(fā)生擎住效應(yīng)無法關(guān)斷。

圖5 脈沖不同步故障仿真圖

4 SVPWM調(diào)制原理

考慮三電平結(jié)構(gòu)的特點，如圖2所示單相橋臂中，通過控制IGBT可輸出0、1、-1三種電平狀態(tài)，因此，三相共存在27組不同的開關(guān)狀態(tài)。

采用了60°坐標系(g-h坐標系)來實現(xiàn)SVPWM調(diào)制方案。從矢量合成角度效果來看，實際有效電壓矢量總共是19組。首先，需要分析60°坐標系下基本空間電壓矢量在的分類，如圖6所示。

假設(shè)參考電壓矢量Uref在α-β坐標系中的坐標為(Uref_α，Uref_β)，則轉(zhuǎn)化到60°坐標系下的坐標為(Urg，Urh)。于是，2個坐標系間的變換關(guān)系如下：

(6)

圖6 60°坐標系下的空間矢量分類

由圖 6可知，在60°坐標系下所有矢量的坐標均為整數(shù)。對于任意的電壓矢量Uref，距離最近的4個基本矢量，可由60°坐標系下的坐標向上、向下取整得到。于是，可得Uref對應(yīng)的4個基本矢量為

(7)

5 實驗分析

5.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了驗證所提三電平拓撲的有效性，搭建了實驗平臺。三電平變流器的參數(shù)見表1。通過加載測試，對IGBT器件的串聯(lián)均壓、電流特性、PWM電壓等進行分析。采用泰克示波器對實驗波形匯總。

5.2 實驗結(jié)果

圖7中，左半軸為S1/S2、S3/S4管的開通波形，右半軸為關(guān)斷波形?？梢姡琁GBT的開通時間約為3 μs，關(guān)斷時間約為4.5 μs。對于開通過程，雜散電感、開通電流應(yīng)力的影響導(dǎo)致開通電壓出現(xiàn)超調(diào)，但超調(diào)幅度在6%以內(nèi)。開通、關(guān)斷時兩管電壓偏差均小于3%，說明串聯(lián)電壓偏差得到迅速調(diào)整，均壓效果較好。

圖7 開通與關(guān)斷時IGBT的均壓波形

圖8 連續(xù)開關(guān)電壓波形

參數(shù)數(shù)值電網(wǎng)電壓/V3000網(wǎng)側(cè)LCL濾波器L1=1.2mHC1=60μFL2=0.6mH機側(cè)電抗器/mH1.2母線電容/mF15直流電壓/V5000額定電流/A289開關(guān)頻率/Hz1500

圖8為S1/S2、S3/S4管的連續(xù)脈沖波形。S1/S2管電壓在0～1 250 V之間脈動，則正電平回路的母線電壓約為2 500 V。同理，S3/S4管電壓在0～1 250 V之間脈動，則負電平回路的母線電壓約為2 500 V。可見，連續(xù)開關(guān)電壓也具有較好的均壓效果。

圖9 線電壓波形

圖9、圖10、圖11分別為變流器的PWM線電壓、輸出A相電流、THD值。可見，PWM線電壓為三電平，并具有較好的正弦度。在加載過程中，A相電流過渡平滑，未出現(xiàn)大幅超調(diào)，并且電流THD為3.1%，諧波含量小。這說明變流器具有較好的電壓、電流特性。

圖10 A相輸出電流波形

圖11 A相電流THD分析

6 結(jié) 論

對中壓風(fēng)電變流器的T型三電平結(jié)構(gòu)進行了研究，提出兩管IGBT串聯(lián)的新型結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，降低了單管損耗與IGBT電壓型號，給出了IGBT串聯(lián)均壓的方案、保護方案、空間矢量調(diào)制原理。最后，建立了3 kV電壓等級的實驗平臺，通過電流的加載測試表明，新型變流器拓撲具備良好的電壓、電流輸出特性，滿足風(fēng)電變流器的設(shè)計要求。

[1] 黃偉煌，胡書舉，許洪華. 中點鉗位型中壓三電平風(fēng)電變流器的損耗分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2014，38(15)：65-70.

[2] 陳根，王勇，蔡旭. 兆瓦級中壓風(fēng)電變流器的新型串聯(lián)混合三電平NPC拓撲[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(9)：48-54.

[3] 查申森，鄭建勇. 混合式斷路器的IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(4)：177-182.

[4] Palmer P R，Rajamani H S. Active Voltage Control of IGBTs for High Power Applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(4)：894-901.

[5] 付超，石新春，王毅. 級聯(lián)型逆變器的空間矢量移相調(diào)制方法[J].電力電子技術(shù)，2005，39(5)：51-53.

The structure of three-level topology is simple and reliable, but due to the limit of withstand voltage level of switch devices, the AC output voltage and power of low-voltage single-tube IGBT topology are low. A new kind of three-level wind power converter with series-connected IGBTs is proposed. Firstly, two tubes are used in the positive and negative bus circuit of T type three-level structure and 1.7 kV IGBT is series connected to increase the output voltage to 3 kV. Secondly, this principle of series-connected IGBTs to improve switch frequency, and the schemes for IGBT series protection and series voltage balance are presented. Finally, 3 kV experiment platform is set up to verify the validity of three-level topology with series-connected IGBTs.

three-level topology; wind power converter; switch frequency; series voltage balance

TM614

A

1003-6954(2017)03-0086-05

王小濤(1982)，工程師，研究方向為風(fēng)電機組控制系統(tǒng)開發(fā)與測試；

2017-01-16)

廖麗貞(1984)，工程師，研究方向為電網(wǎng)保護系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)及測試。