孫傳杰，張中磊，李 楠，徐 莉，張旭東

(天津電氣科學研究院有限公司 天津 300180)

中壓大功率設備在冶金、石油、礦產(chǎn)和新能源等領域廣泛應用，在工業(yè)發(fā)展的過程中起到非常關鍵的作用[1]。最初，最主要的開關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的發(fā)展，在中高壓領域，集成門極換流晶閘管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)逐漸得到廣泛應用。相對于IGBT而言，IGCT集IGBT的高速開關特性和可關斷晶閘管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)的高阻斷電壓特性以及低導通損耗特性于一體，從而使IGCT具有通態(tài)電流大、低導通損耗、阻斷電壓高、開關頻率高、結構緊湊等特點[2]。

IGCT中壓變頻器市場主要被國外大品牌占據(jù)，近年來，國內(nèi)開始研發(fā)IGCT器件和相關的中壓變頻裝置，中車已經(jīng)研發(fā)出IGCT器件和相關的中壓變頻裝置，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)場應用。

姜一達等[3]就中點鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)三電平中壓大功率變頻器設計進行了拓撲和基本控制方法的闡述；段志剛等[4]給出了中壓變流器的功率實驗方法，用于證明其功率回路和吸收回路的正確性，但對其吸收回路的工作原理并未進行說明分析；楊培[5]對ABB、西門子、TEMIC以及ALSTON等公司的多電平產(chǎn)品所設計的主回路拓撲進行了對比，以及實際應用案例分析；謝路耀等[6]對吸收鉗位電路的參數(shù)設計進行了分析。

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，并在需要的時候進行能量回饋，達到節(jié)能的效果。本文就二極管中點鉗位型三電平拓撲進行主回 路和吸收電路的分析，并對矢量控制方法進行闡述。

1 電路拓撲

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，每一個功率單元都包括二極管鉗位型三電平拓撲以及其對應的RLCD緩沖吸收回路。

以A相為例進行分析，當開關管V1與V2導通時，輸出網(wǎng)側電壓為正狀態(tài)；當開關管V2與V3導通時，輸出網(wǎng)側電壓為零狀態(tài)；當開關管V3與V4導通時，輸出網(wǎng)側電壓為負狀態(tài)，從而形成三電平電壓輸出。

當保持網(wǎng)側功率因數(shù)為1時，網(wǎng)側電壓與網(wǎng)側電流同相。當網(wǎng)側功率因數(shù)不為1時，設φ為功率因數(shù)角。以下4種情況的開關管導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)：設定調制電壓為正，交流側輸出電流為負，開關管V2處于導通狀態(tài)，開關管V1和V3交替導通，當交流側為正電壓狀態(tài)時，電流通過反并聯(lián)二極管D2、D1流入直流側；當交流側為零狀態(tài)時，電流通過開關管V3和鉗位二極管D6流入直流中點。

②在φ～π的角度范圍內(nèi)：設定調制電壓為正，交流側輸出電流為正，開關管V2處于導通狀態(tài)，開關管V1和V3交替導通，當交流側為正電壓狀態(tài)時，電流通過開關管V1、V2流向交流側；當交流側為零狀態(tài)時，電流通過鉗位二極管D5和開關管V2流出直流中點。

③在π～(π+φ)的角度范圍內(nèi)：設定調制電壓為負，交流側輸出電流為正，開關管V3處于導通狀態(tài)，開關管V2和V4交替導通，當交流側為負電壓狀態(tài)時，電流通過反并聯(lián)二極管D3、D4流入交流側，當交流側為零狀態(tài)時，電流依舊通過鉗位二極管D5和開關管V2流出直流中點。

④在(π+φ)～2π的角度范圍內(nèi)：設定調制電壓為負，交流側輸出電流為負，開關管V3處于導通狀態(tài)，開關管V2和V4交替導通，當交流側為負電壓狀態(tài)時，電流通過開關管V3、V4流入直流側；當交流側為零狀態(tài)時，電流通過開關管V3和鉗位二極管D6流回直流中點。

1.2 吸收回路分析

本文所述電路采用工程中應用廣泛的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處于關閉狀態(tài)，整個電路處于穩(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不導通。

IGCT開通瞬間：當觸發(fā)IGCT導通時，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電流和負載電流組成，所以其暫態(tài)電流大于IGCT導通時的穩(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所感應出的電壓，使得二極管D承受反向電壓而處于截止狀態(tài)。

IGCT流過電流從電流尖峰值減小到負載電流的過程：此時緩沖電感感應出電壓，使得二極管D承受正向電壓而導通，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變?yōu)榻刂範顟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關斷過程分析

初始狀態(tài)：IGCT處于正常導通狀態(tài)，其流過的電流等于負載電流，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處于截止狀態(tài)。

IGCT關斷瞬間：當通過信號關斷IGCT時，流經(jīng)IGCT的電流迅速下降，緩沖電感L因電流的變化，其兩端感應出電壓差，使得IGCT兩端承受的電壓出現(xiàn)一個尖峰，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IGCT完全關斷，其電流降到0的時候：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個高峰，當二極管D承受反壓而關斷后，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到直流母線電壓值。

2 矢量控制

AFE系統(tǒng)既可以實現(xiàn)基本整流器的功能，又可以實現(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，加快對直流側突加、減負載的響應?？傮w控制框圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)需要采集網(wǎng)側三相交流電壓Ua、Ub、Uc，三相交流電流Ia、Ib、Ic以及直流側母線電壓Udc。利用三相交流電壓進行鎖相PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))處理，可以獲得網(wǎng)側電壓的基準角度φ，也可以獲得網(wǎng)側電壓的電壓模值UD，進而根據(jù)功率因數(shù)計算出系統(tǒng)需要的無功分量。三相交流電流采樣可以經(jīng)3/2變換和旋轉變換獲得網(wǎng)側實際電流的d軸分量和q軸分量。電壓外環(huán)利用直流電壓給定Uset和實際直流電壓采樣進行PI調節(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)的響應速度。電流內(nèi)環(huán)經(jīng)PI控制之后，疊加相應的前饋量，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)旋轉變換和2/3變換獲得三相給定電壓，從而進行PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)調制。其中，旋轉變換所需的角度根據(jù)不同的PWM調制策略進行適當補償。為最大限度地提高系統(tǒng)的輸出能力和減少網(wǎng)側諧波，調制策略一般會選用空間矢量脈寬調制、特定消諧或者諧波抑制等PWM調制 方法。

3 實驗

當該電路系統(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，獲得IGCT開通和關斷時刻的電壓波形，如圖4所示。

當IGCT導通時刻，其兩端電壓迅速下降，IGCT完全導通后，其兩端電壓在零電壓附近，PWM輸出電壓為高電平。當IGCT關閉時刻，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PWM電壓。

4 總結

本文就IGCT的基本特性進行了闡述，對基于IGCT的二極管中點鉗位型三電平電路拓撲的工作原理進行了分析，并且對經(jīng)典RLCD吸收回路的工作原理進行細節(jié)剖析；根據(jù)矢量控制方法，AFE系統(tǒng)可以實現(xiàn)有功功率和無功功率的分別控制，實現(xiàn)功率因數(shù)任意可調，并給出了完整的矢量控制框圖及其說明。通過實驗驗證，確定了矢量控制方法和吸收回路工作原理分析的正確性。