IGBT串联的三电平风电变流器拓扑研究

王小涛，廖丽贞，赵 宇

(1.许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000；2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；3.许继柔性输电系统公司，河南 许昌 461000)

IGBT串联的三电平风电变流器拓扑研究

王小涛1，廖丽贞2，赵 宇3

(1.许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000；2.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；3.许继柔性输电系统公司，河南 许昌 461000)

三电平拓扑结构简单可靠，但由于开关器件的耐压水平限制，低压单管IGBT拓扑的交流侧输出电压、功率水平均较低。提出一种新型IGBT串联的三电平风电变流器。首先，采用了T型三电平结构，并在正负母线回路中使用两管1.7 kV的IGBT串联，即可输出3 kV的交流侧电压；其次，给出了IGBT串联提高开关频率的原理、IGBT串联的保护与均压方案。最后，建立了3 kV电压等级的实验平台，验证了IGBT串联型三电平拓扑的有效性。

三电平拓扑；风电变流器；开关频率；串联均压

0 引 言

随着风力发电技术的迅速发展，风电变流器产品得到广泛应用。国内外常见的风电变流器有双馈型、全功率型，电压等级从380 V到6 kV不等。对于高于1 kV以上的中压型变流器，采用三电平、多电平拓扑具有优势，可以提高输出交流侧电压的正弦度、功率密度，提高电能质量。

目前，常见的中压三电平变流器以二极管箝位型拓扑居多，例如ABB、艾默生等公司的风电系列产品。文献[1]给出了3 kV全功率风电变流器的拓扑结构、设计参数，给出了机、网侧变流器功率器件的损耗分析，并利用Matlab与GH Bladed软件对系统进行了仿真分析。文献[2]针对3 kV风电变流器，提出采用2个低压IGBT、1个高压IGBT串联的二极管箝位型混合拓扑以降低器件损耗。此种拓扑结构较为复杂，3个IGBT的型号不同、驱动电路差异等因素导致均压方案十分困难。并且仅进行了单相模块的测试，未进行三相系统实验，缺乏说服力。

考虑到T型三电平拓扑器件的损耗比二极管箝位型低，结构相对简单、更容易扩展IGBT串联回路,因此，提出一种T型三电平风电变流器，并在正负电平回路中使用两管IGBT串联。采用IGBT串联后，单管承受的电压降低一半，损耗也大幅降低。此种结构的优点是，既可以降低损耗、提高开关频率，又可以降低开关器件的成本与电压等级。进一步，给出了主回路参数的计算方法，并提出一种新型的运放+滞环电路相结合的有源电压控制(active voltage control，AVC)方案对驱动板优化，改善器件串联不均压衡。仿真分析了IGBT串联器件的保护方案特点，并介绍了SVPWM的调制方法。

最后，对3 kV/1.5 Mvar全功率三电平变流器的主回路拓扑、控制系统进行实物系统测试。结果表明，所提新型三电平变流器的IGBT均压较佳，电流响应速度快，输电流谐波含量小。

1 T型三电平全功率变流器的拓扑

1.1 主回路拓扑

以全功率背靠背型风电变流器为研究对象，可适用于永磁型发电机组，见图1所示。图1中，整个变流器包括网侧、机侧两部分，可在四象限区域稳定运行。网侧通过LCL型滤波器与电网连接，机侧采用L型滤波器与永磁发电机组连接。

图1 T型全功率风电变流器的拓扑结构

变流器的单相拓扑结构如图2所示。图2中，T型三电平结构将中点改为IGBT开关器件换流，可对IGBT进行控制实时切换正负电平。

图2 单相T型三电平拓扑结构

图2中，创新点在于在正负电平回路中采用了两管IGBT串联。其优点是，对于正负电平回路，单个IGBT所承受的正向阻断电压为UdcP或UdcN的一半。既可以降低IGBT的电压型号，又降低期间损耗、提高开关频率。

1.2 主回路的IGBT参数计算

交流侧额定电压Uline(peak)=4 242 V，额定电流Iphase(rms)=289 A。

以下给出IGBT参数的计算步骤。

1)设计直流母线电压的参数。

直流母线电压Udc的选择，需要考虑到交流电压水平、电抗器分压等问题。由于采用了三电平SVPWM调制方案，故调制比k=1，采用式(1)计算Udc：

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

(1)

式中，UL(peak)为等效电抗器分压值。

因此，选取Udc=5 000 V。

则正负母线电压为

UdcP=UdcN=2 500 V

(2)

2)计算IGBT的电压、电流极限值。

考虑极端情况，即两管串联IGBT电压偏差保护允许范围，则单管IGBT承受的最大直流电压为

umax=udc_sw+Δudc_half+Δuigbt

(3)

式中：udc_sw=1 250 V，为正负母线电压的一半；Δudc_half=125 V，为正负母线电压的波动(取5%)；Δuigbt=125 V，为IGBT器件不均压保护范围内的电压差异(取udc_sw的10%)。

可得

umax=1 500 V

(4)

还要考虑电流的最大值，取1.2倍额定电流的过载能力：

Imax=1.2Ie=1.2×289=347 A

(5)

3)选择合适的IGBT型号。

根据式(4)、式(5)的数据，选择Infineon IGBT FF450R17IE4，该器件内置了反并联二极管，电压为1.7 kV，额定电流为450 A，可满足电压与电流要求。

以下通过IGBT的损耗计算，来说明IGBT串联后提高开关频率的可行性。常规的3.3 kV IGBT一般只能采用1 kHz的开关频率，而采用两管1.7 kV IGBT后，可适地提高开关频率至1.5 kHz。

图3 两种结构的IGBT损耗曲线

首先，从稳态分析，在额定电流下串联结构比单管结构的IGBT开关损耗大幅减小，参见图3利用Infineon制造商提供的软件仿真做的损耗分析。单管结构在频率fs=1 500 Hz下很容易过温，而串联结构则不会因损耗大而过温；其次，考虑暂态过程，即IGBT发生不均压、过压故障时，也不会因开关频率高触发过温。因为，在保护时间内，过压暂态是微秒级别，而温度的时间尺度则是秒级。综合分析，可根据IGBT电压的利用率，相应地提高开关频率fs=1.5 kHz。

2 IGBT串联的均压方案

开关器件的串联可提高输出电压，但却带来器件之间的动态电压不一致。例如，驱动硬件电路差异、脉冲不同步、器件等效阻抗差异等因素引起各器件开通、关断暂态电压的偏差。目前，串联均压技术可分为主动控制、间接控制两大类[3-4]。主动控制方案指对驱动信号进行反馈闭环控制，间接控制主要指通过施加RC或RCD无源缓冲电路。一般采用这两种技术结合的均压方案效果较好。

采用主动控制+间接控制相结合的方案，其中，主动控制采用有源电压控制，间接控制采用RC电路，见图2中的RC。考虑到传统有源电压控制方案Vce外环单纯运放电路的不足，采用运放电路+滞环电路对Vce外环控制进行改进。

图4 有源电压控制电路

3 IGBT串联的故障保护方案

IGBT串联的保护方案也需要改进：IGBT串联时，当检测到过流、过压、短路故障不得由驱动板单独关断器件，而应由上级控制对两管统一发送软关断信号。如图2所示，具体的实现方案是，S1/S2、S3/S4管可以触发故障，但应由上级控制电路同时关断 IGBT。对S5、S6管，则可以由驱动板自行处理，立即关断 IGBT并触发故障信号。

以下对PWM脉冲不同步的故障进行分析。考虑两种类型的短路故障：Ⅰ是串联IGBT在断态短路，而后开通脉冲；Ⅱ是在通态直接进入短路状态。图5为采用Saber软件搭建的两管IGBT串联Ⅱ类故障电路仿真。取直流电压1 400 V、驱动电压15 V，则单管承受的电压为700 V。

图5中，在t=15 μs后设置两管IGBT的脉冲不一致。当t=15 μs后出现Ⅱ类故障，两管的关断速率不一致。IGBT2退饱和速率快，14 μs后自行检测故障并关断，则IGBT1管完全承受全部母线电压，短路电流不再上升。t=80 μs时，再对两管下发统一关断信号，但IGBT1发生擎住效应无法关断。

图5 脉冲不同步故障仿真图

4 SVPWM调制原理

考虑三电平结构的特点，如图2所示单相桥臂中，通过控制IGBT可输出0、1、-1三种电平状态，因此，三相共存在27组不同的开关状态。

采用了60°坐标系(g-h坐标系)来实现SVPWM调制方案。从矢量合成角度效果来看，实际有效电压矢量总共是19组。首先，需要分析60°坐标系下基本空间电压矢量在的分类，如图6所示。

假设参考电压矢量Uref在α-β坐标系中的坐标为(Uref_α，Uref_β)，则转化到60°坐标系下的坐标为(Urg，Urh)。于是，2个坐标系间的变换关系如下：

(6)

图6 60°坐标系下的空间矢量分类

由图 6可知，在60°坐标系下所有矢量的坐标均为整数。对于任意的电压矢量Uref，距离最近的4个基本矢量，可由60°坐标系下的坐标向上、向下取整得到。于是，可得Uref对应的4个基本矢量为

(7)

5 实验分析

5.1 系统参数

为了验证所提三电平拓扑的有效性，搭建了实验平台。三电平变流器的参数见表1。通过加载测试，对IGBT器件的串联均压、电流特性、PWM电压等进行分析。采用泰克示波器对实验波形汇总。

5.2 实验结果

图7中，左半轴为S1/S2、S3/S4管的开通波形，右半轴为关断波形。可见，IGBT的开通时间约为3 μs，关断时间约为4.5 μs。对于开通过程，杂散电感、开通电流应力的影响导致开通电压出现超调，但超调幅度在6%以内。开通、关断时两管电压偏差均小于3%，说明串联电压偏差得到迅速调整，均压效果较好。

图7 开通与关断时IGBT的均压波形

图8 连续开关电压波形

参数数值电网电压/V3000网侧LCL滤波器L1=1.2mHC1=60μFL2=0.6mH机侧电抗器/mH1.2母线电容/mF15直流电压/V5000额定电流/A289开关频率/Hz1500

图8为S1/S2、S3/S4管的连续脉冲波形。S1/S2管电压在0～1 250 V之间脉动，则正电平回路的母线电压约为2 500 V。同理，S3/S4管电压在0～1 250 V之间脉动，则负电平回路的母线电压约为2 500 V。可见，连续开关电压也具有较好的均压效果。

图9 线电压波形

图9、图10、图11分别为变流器的PWM线电压、输出A相电流、THD值。可见，PWM线电压为三电平，并具有较好的正弦度。在加载过程中，A相电流过渡平滑，未出现大幅超调，并且电流THD为3.1%，谐波含量小。这说明变流器具有较好的电压、电流特性。

图10 A相输出电流波形

图11 A相电流THD分析

6 结 论

对中压风电变流器的T型三电平结构进行了研究，提出两管IGBT串联的新型结构。此种结构的优点是，降低了单管损耗与IGBT电压型号，给出了IGBT串联均压的方案、保护方案、空间矢量调制原理。最后，建立了3 kV电压等级的实验平台，通过电流的加载测试表明，新型变流器拓扑具备良好的电压、电流输出特性，满足风电变流器的设计要求。

[1] 黄伟煌，胡书举，许洪华. 中点钳位型中压三电平风电变流器的损耗分析[J].电力系统自动化，2014，38(15)：65-70.

[2] 陈根，王勇，蔡旭. 兆瓦级中压风电变流器的新型串联混合三电平NPC拓扑[J].中国电机工程学报，2013，33(9)：48-54.

[3] 查申森，郑建勇. 混合式断路器的IGBT串联均压技术[J].电网技术，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. 级联型逆变器的空间矢量移相调制方法[J].电力电子技术，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

王小涛(1982)，工程师，研究方向为风电机组控制系统开发与测试；

2017-01-16)

廖丽贞(1984)，工程师，研究方向为电网保护系统产品开发及测试。