单元串联型高压变频器的开发研究

唐丽婵， 陈江洪， 汤雪华

（上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海200070）

随着我国节能减排政策的推动和高压电动机容量快速地增长，高压变频器越来越引起人们的重视，尤其在我国面对资源紧张，提倡绿色环保的新形势下，加快高压变频器技术的研发就显得尤为重要。目前，高压变频器在我国许多能耗产业都得到了推广应用，如石油、电厂及冶金行业等，对降低我国的工业能耗具有重大意义。但是，我国中高压变频调速技术还不成熟，许多场合应用的变频器仍依赖国外进口。面对国内巨大的市场需求，开发变频节能装置，并推广应用，在提高生产效率及节约能源方面具有重大意义。由于单元串联型高压变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，且采用模块化设计，具有维修简单等优势，故该结构高压变频器已逐渐成为高压变频调速的主流方案。本文基于单元串联型拓扑结构，自主研发了容量为200kW的3kV高压变频器。

1 高压变频器硬件系统设计

1.1 单元串联型高压变频器的拓扑结构

单元串联型高压变频器采用若干个低压脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）变频功率单元串联的方式，实现了高压输出。该高压变频器的硬件系统主要由功率单元、光纤通讯板、主控数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）板及人机界面（Human Machine Intreface，HMI）组成，其拓扑结构如图1所示。3kV电网电压经过移相变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出为交—直—交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出串联起来，实现变频器的高压输出。该高压变频器的每相由6个额定电压为289V的功率单元串联而成，输出相电压为1 732V，线电压约为3kV，电压叠加如图2所示。

图1 3kV高压变频器拓扑结构

图2 功率单元串联电压叠加图

该变频器采用整个功率单元串联的结构，而非传统的器件串联的方式，器件承受的最高电压为功率单元内直流母线的电压，此方式避开了电力电子器件耐压不足的难题，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，所以不存在由器件串联引起的均压问题。由于串联的功率单元较多，对单元本身的可靠性要求较高，控制系统电路需要实时产生多路脉冲去控制各个功率单元中绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipdar Transister，IGBT）的运行，所以控制系统的实时性要求很高，在设计中采用了高可靠的现场可编程逻辑门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）作为功率单元的智能控制器，实现全方位的快速响应及各种保护功能。功率单元的输入是移相变压器，变压器二次绕组采用移相接法，实现多重化，可抑制输入电流谐波。输出采用多电平移相式脉冲宽度调制方式，从而可以降低输出电压谐波，使得输出电压的波形非常接近正弦波。变频器每相的输出是由该相的6个功率单元串联叠加得到的，虽然每个功率单元输出的都是相同等幅PWM波形，但输出波形相互间有一定相位偏移，所以串联叠加后，变频器输出侧得到的是正弦阶梯状PWM波形；对于每相有N个功率单元的单元串联多电平高压变频器，输出相电压有2N＋1个电平，线电压有4N＋1个电平，由于电平数增多，使得电压变化率du／dt减小。这种单元串联多电平拓扑结构的高压变频器可以解决两个技术难题：① 高可靠性，每一个功率单元都相当于一个小型的低压变频器，每相的电压由功率单元的输出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障后，只会使相电压降低，通过旁路切除后系统能继续运行。② 此种结构的高压变频装置解决了对电网的污染问题。

1.2 功率单元

1.2.1 功率单元设计

功率单元是单元串联型高压变频器的核心部件。它是三相输入单相输出的交—直—交PWM电压型逆变器的构造，由移相变压器的一组二次绕组供电。变压器的二次绕组之间是完全隔离的；因此，功率单元之间也是相互绝缘的［1］。

功率单元主要由熔断器、三相全桥整流器、电容器、IGBT逆变电路以及旁路保护电路等组成［2］，结构如图3所示。整流侧用二极管进行不可控全波整流，将交流电变为直流电，中间利用电解电容滤波和储能；逆变部分为4个IGBT组成的H桥式单相逆变电路，使输出端口L1和L2侧输出单相等幅的交流PWM电压波形。各功率单元具有完全相同的结构，具有互换性。

图3 功率单元原理图

功率单元采用正弦波脉宽调制（Sinusodial PWM，SPWM）方式，控制4个IGBT Q1～Q4的导通和关断，输出单相脉宽调制波形，由图3可知，每个功率单元仅有3种可能的输出电压状态：当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压为高电平；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压为低电平；当Q1和Q3或者Q2和Q4导通时，L1和L2的输出也是低电平。功率单元具有单元旁路功能。当某一个功率单元不能正常工作时，晶闸管SCR输入高电平，使得晶闸管导通，L1和L2端的输出电压为零，该功率单元及其另外两相相应位置上的功率单元将会自动旁路，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。功率单元旁路时，变频器因为运行的功率单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路［3－4］。

每相串联的6个功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但该6个单元的载波之间互相错开一个电角度，同一相6个功率单元互差60°／6＝10°的电角度。如图4所示，6个功率单元的输出电压波形，叠加后该相的输出电压有0，±U，±2U，±3U，±4U，±5U，±6U共13种电平，从电压叠加之后的波形可以看出，该波形非常接近正弦波。

图4 变频器的功率单元输出波形及相电压叠加波形

1.2.2 功率单元控制板设计

每个功率单元中均有一块功率单元控制板，可实现IGBT驱动，功率单元状态信息的采集、处理以及通过光纤与主控串行通讯。功率单元控制板由电源模块、FPGA控制模块、通讯与I／O模块、PWM驱动模块、AD采样模块、AD信号调理模块共6个模块组成，如图5所示。

（1）电源模块。根据各功能模块的需求，提供12V、5V、3.3V、1.5V等多个电压轨，同时采用 TPS 3307－33DGN电源监测芯片，对FPGA的电源和复位进行监控。

（2）FPGA控制模块。FPGA采用Actel公司的A 3P250－2PQ 208I，可靠性高，特别适用于恶劣的工业环境。

（3）通讯与I／O模块。采用抗电磁干扰的光纤传输通讯接口，选用的是Avago的R 2521／R 1521系列，通讯速率达5Mbps；同时提供光耦隔离输出的脉冲I／O信号，提供给脉冲驱动板，控制可控硅的导通。

（4）PWM模块。提供光耦隔离的PWM信号，送到IGBT驱动模块；同时，将IGBT驱动模块送交的报警和故障信号反馈给FPGA控制模块。

（5）AD采样模块。采用ADS 7842E芯片，将AD调理电路送上来的AD值，送到FPGA控制模块。

（6）AD信号调理模块。该模块有2个功能：① 采集两路信号，一路是功率单元直流母线值，另一路是功率单元交流输出值，调理后送到AD采样芯片；②将两路信号与预设值（直流母线电压上限和交流输出电压上限）比较，直接输出数字I／O到FPGA控制模块。

图5 功率单元控制板功能框图

2 高压变频器控制与监控系统设计

2.1 控制系统设计

控制系统设计的主要任务是完成DSP主控板的程序设计以及与HMI的通讯。其中，DSP主控部分基于TMS 320F28335平台开发。

主控制板DSP主要实现如下功能：①与功率单元通讯，控制功率单元的工作，并实时传输功率单元的运行状态。②根据外部逻辑和控制信号，启动、停止变频器。③在变频器运行过程中调节输出电压、限制电流、控制输出频率。④实时检测设备的报警和故障，并采取对应的保护动作，确保整个变频调速系统的安全。⑤根据HMI的设定，更改控制参数，并向HMI传输变频器当前的重要工作参数。

主控制板DSP程序主要包括主循环程序以及PWM中断子程序组成。系统在上电时完成初始化器件配置，更新中断向量表，进入PWM中断子程序，在该中断程序中，读取各功率单元的电压、电流等各种信息数据进行故障分析处理，计算PWM占空比，再由串口将收到的数据进行处理。其主循环与PWM中断流程图如图6所示。

2.2 监控系统设计

所设计的监控系统主要由HMI、电压电流互感器检测模块（Phase Voltage Transformer Current Transformer，PTCT）远程I／O、通讯模块，光纤触发模块组成，其结构如图7所示。

HMI与主控板DSP之间采用RS－485串行通信方式，将变频器所有的运行数据和参数在触摸屏上进行实时显示。系统中设计了本地与远程控制两种方式。在操作模式为本地控制时，通过HMI来对整个系统进行操作，实现对高压变频器的启动／停止、复位、运行频率等参数的设定；在操作模式为远程控制时，HMI只是作为当前系统运行状态的显示，通过Modbus RTU协议，实现与主控DSP和MOXA的远程IO通讯，在远程控制柜上对变频器进行启动，运行以及急停等操作。

图6 程序流程图

图7 监控系统图

3 高压变频器整机结构设计

高压变频器整机结构主要由变压器柜、功率单元柜和控制柜组成（如图8（a）所示）。移相变压器安装于变压器柜内，电网电压经移相变压器后为每个功率单元供电。功率单元放置于功率单元柜内，是高压变频器频率变换的主要工作部件，实现多脉冲宽度整流输入和高压变频输出［5］。在该柜体中，使用可方便更换功率单元的挂钩滑动连接（如图8（b）所示），保证了强度，缩小了体积，确保了产品的一致性、互换性。由于在结构上精心设计以及高效散热器的研制开发，本装置的柜体尺寸比起其他相同容量的高压变频装置要小得多，这对于需变频改造而又场地狭小的用户尤其重要。控制柜为变频装置的核心控制部件，控制变频器的运行、停止、变频等。图8（c）为课题开发完成的高压变频器样机。

图8 高压变频器样机

4 结 论

本课题经过对单元串联型高压变频装置拓扑结构的研究，设计了功率单元及控制系统等，开发出一种采用单元串联多电平方式具有节能效率高、低谐波污染的高压变频器，并形成自主知识产权的高压变频器技术体系。系统设计完成后，进行了整机的空载与负载试验，建立了总负荷达200kW的高压电动机—发电机组的试验台。如图9所示，样机最大试验负荷200kW，累计试验约7个多月，近千小时，验证了该样机的可靠性。

图9 高压变频器整机试验实景图

通过长时间的满负载运行测试，总结该自主研发的高压变频器具有以下特点：① 变频器采用低压器件组成多个功率单元串联，提高电压等级，实现高压输出。② 输出的波形为多重PWM波叠加形成，其谐波含量非常小，近似于标准的正弦波形。③输入部分是由多脉冲整流器和移相变压器构成高功率因数整流型拓朴结构，功率输入因数可以达到0.95以上。④ 各功率单元与主控单元之间使用光纤通讯，解决了线路存在的耐压问题和抗干扰问题，提高了通讯速度，减少了连接线路，实现功率单元与主控单元之间的双向通讯。⑤ 具有非常完善的保护功能，当功率单元发生故障时，实现快速自动旁路，提高设备运行可靠性。

［1］孟少飞.高压变频器的研究与设计［D］.济南：山东大学，2011：43－47.

［2］虞晓林.电厂风机节能研究与改造［J］.水利电力机械，2007，10（29）：22－24.

［3］刘同仁.变频器的选型及配置要点［J］.山东煤炭科技，2010，（6）：57－59.

［4］程仁海.高压变频技术在火电厂中应用研究［D］.南京：东南大学，2011：23－26.

［5］丁 伟.高压变频调速控制策略及实现技术的研究［D］.长沙：湖南大学，2009：9－11.