IGCT器件与高压变频器.doc

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1、IGCT器件与高压变频器摘 要 ：高压大容量变频调速系统是电力电子技术领域内的重要研究方向之一。本文针对作者所研发的基于IGCT的6kV/1250kW高压三电平中点箝位式变频器中的一些关键技术问题进行分析，并给出相关的仿真分析和试验研究结果。 1  引言    近年来，我国变频调速装置的研发和生产能力在不断的提高，应用水平也有长足的进步。目前正在向高性能和高压大容量方向发展。研制中高压变频器一直是热点之一，但由于其技术门坎高、资金投入大、研发周期长，也一直是该研究领域的难点之一。目前所采用的高压大容量变频器拓扑结构主要有：    ● 电容飞跨式；    ● 单

2、元级联式，即所谓的Robicon结构;    ● 二极管中点箝位（NPC）式，国际上以ABB和Siemens的产品为代表。    相比之下，由于二极管箝位式结构需要器件比较少，结构紧凑，控制算法简洁、易于实现系统四象限运行而可以作为高端变频器使用等特点而被日益重视。但是由于该结构直接采用高压开关器件（如GTO、IGCT或高压IGBT等）作为开关工作单元，高压特征明显，器件承荷余量减小，对系统参数的配置要求提高，特别原来在中小容量和低压系统中不突出的能量瞬态过程和分布参数影响变得突出，致使研制难度增加，风险增大，进而成为高压大容量电力电子变换器的难点问题之一。 

3、   我国对高压（3kV以上）大容量（1000kW以上）的三电平NPC变频调速系统的研制仍处于初步阶段。为加速我国自己的高端中高压变频调速装置的发展，2001年10月清华大学电机系与国电南京自动化股份有限公司联合成立了清华南自电力电子应用技术联合研究所，专门针对高压大容量三电平NPC变频调速系统进行了研制。2004年研制出基于IGCT的二极管箝位式6kV/550～1250kW三电平变频器样机，2005年实现了现场长期无故障满载运行，2006年通过了国家级技术检测部门的全部型式试验和部委级的技术和产品鉴定，目前已全面走向市场。    回顾五年多的研发历程，走过了

4、一条从理论到实践，再从实践到理论的探索过程。尤其是对高压大容量电力电子变换装置中的关键问题理解有了进一步认识，浅肤之识，与大家一起分享。2  基于IGCT三电平NPC变频器主要结构特点    由于高压大容量变频器的电压高、电流大，相应的电压电流变化率也大，回路分布参数影响大，使得该类变频器在开关器件的选择、器件之间的连线、吸收电路元件参数的匹配、波形调制以及滤波处理等方面与低压中小容量变频器有很大的区别。因此，结构上也有很大的不同。本文所研制的变频器结构原理图如图1所示。图1 基于IGCT的二极管箝位式6kV/550～1250kW三电平变频调速系统    它在

5、结构上有以下几个主要特点：    （1）采用IGCT作为主开关器件，且采用压装结构    采用IGCT作为主开关器件，且采用压装结构，如图2所示。其中，分立散热器一方面为IGCT散热和压装结构的支撑设备，另一方面也是连接两个IGCT的导体。图2  基于IGCT的三电平NPC高压变频器结构实物图    （2）三相桥臂共用两套di/dt吸收电路    三相桥臂共用两套di/dt吸收电路（Ls、Rs和Cs），如图1所示。    （3）直流母排与逆变回路通过层叠扁铜排相连    直流母排与逆变回路通过层叠扁铜排相连，如图3所示。图3  直流母排连线实物图    （4）

6、控制系统采用多CPU和光纤CAN总线通讯系统    控制系统采用多CPU和光纤CAN总线通讯系统，如图4所示。图4 多CPU主控制板（a）和CAN总线通讯板（b）    （5）输出采用滤波与升压一体化结构    输出采用滤波与升压一体化结构，如图5所示。图5  集成式的升压LC滤波系统    正是由于这些结构上的特点,而凸现出一些必须解决的关键技术问题。3  若干关键技术问题分析    高压大容量变频器涉及的关键技术很多，本文就几个主要的关键问题进行叙述和分析。3.1 IGCT安全工作区的有效设置    要提高大容量电力电子装置可靠性，需要特别关注半导体开关器

7、件的特性，同时研究器件的应用特性与电力电子装置中其它元素之间的关系，由此来设计和优化电力电子装置的拓扑、结构和控制策略等。通常器件应用手册中关于器件各类电特性的约束往往是基于特定的单管测试电路，其中某些关键参数（如杂散电感）在实际应用中由于结构设计的问题，很难保证与测试电路完全一致。而且，实际电路拓扑与半导体测试电路差异较大，往往涉及到多个开关管之间的相互作用和相互联系。同时，运行工况、负载特性以及器件参数的差异，使得性能优良的器件装备在特定装置、运行在特定装置中时并不一定会提升装置的可靠性，即通常意义下单个开关器件的安全工作区（以下简称SOA）并不总是适用于

8、整个装置，甚至在实际应用中要作较大的修