分析和优化电厂凝泵变频调速系统

一、主电路拓扑的选取

当今高压变频器比较成熟的方案有多种，既可以根据电平数分为两电平、三电平及多电平高压变频器；又可以根据电源的种类分成电流源型、电压源型高压变频器。下面华全水泵厂通过对几种高压变频器的拓扑进行分析比较，研究其可靠性、冗余设置以及谐波等情况，找到一种适合于发电厂凝泵调速的拓扑方案。

1、电流源型两电平高压变频器

图1：电流源型两电平高压变频器

图1所示为电流源型两电平高压变频器。整个电路结构采用的是交一直一交的方式，首先三相交流电经隔离变压器隔离，然后通过三相全桥18脉冲整流得到直流电，这部分整流的控制主要靠改变晶闸管的触发角。而整流后的直流电因为连接大电感，所以可以看作是稳定的电流源，其再通过逆变桥又可以得到所需的三相交流电，而输出交流电的频率和相位主要靠逆变桥的晶闸管触发角控制。

这种形式的拓扑容易控制电流，而且便于实现电机再生能量的回馈，同时也便于电机的四象限运行。但是这种方式也存在着一些不可忽视的缺点，譬如变频器性能与电机参数息息相关，不容易实现多机间联动；而且电流的谐波成分大，将会对电网产生较大污染与损耗；同时会影响电机的绝缘。

2、电压源型三电平高压变频器

基于当今电力电子元器件的耐压水平，华全水泵厂采用多电平逆变的结构，可以有效地提升变频器的输出电压。三电平变频器作为多电平变频器中 简单的一种，通常采用二极管钳位型的拓扑结构，如图2所示。

图2：电压源型三电平变频器

对于此种结构的拓扑，一般分为三个部分，即输入整流环节、直流电压环节和三电平逆变器环节。输入整流环节采用的是12脉冲整流电路，交流电经整流后由电容分压，每个电容上承受的电压。而对于逆变桥各相桥壁上串联的4个开关器件，可按照如表2所示的开关控制方法，在相应相产生3种电平的电压输出。

由表格可见，当处于开关状态1时，A相的输出电压为+E/2，若电流为正方向，则其是通过功率管Val、VA2流通；若电流为负方向，则其是通过功率管旁并联的续流二极管VDa1VDa2流通。当处于开关状态2时，A相的输出电压为0，若电流为正方向，则其是通过钳位二极管Dal、功率管Va2流通。

对于单元串联型高压变频器，其首先是利用移相变压器完成一次侧高压输入向二次侧多路低压输出的转换。对二次侧电压的多路输出采用移相控制的方式，可以利用多重化有效地减小谐波。之后移相变压器的二次侧连接各功率单元，而各功率单元又相当于H桥逆变电路，通过将功率单元的输出端子相互串接然后再经星型连接即可给负载供电相较于其他几种高压变频器，该方案采用的是模块化结构，因此可以通过调整串联单元的个数来适应电压的要求；而且各串联单元独立工作，当某个单元出现故障时，可以将其单独短路，华全水泵其余部分可以正常运行，这样就大大提升了系统的稳定性。当然这种类型的高压变频器由于使用的功率器件数量太多，所以随着容量的上升，体积和成本也会大幅上升；而且由于功率单元采用的是二极管的整流，所以能量无法回馈，也不能实现四象限的运行。

通过对以上三种高压变频器的结构进行分析，可见前两种高压变频器由于可以实现四象限运行的特性，相对来说比较适用于一般传动、机车牵引等场合；而 后一种高压变频器则相对来说比较适用于风机水泵等无需能量回馈和四象限运行的场合。结合电厂的实际情况，鉴于凝结水泵属于泵类负载，其表现为平方转矩的特性，而且电机一般只运行在 象限里，所以对于凝泵高压变频调速系统的设计选用单元串联型高压变频器。

二、主电路相关模块的设计

由于选定了级联型作为凝泵高压变频调速系统的主拓扑，该高压变频器的主电路主要包括移相变压器和功率单元两部分，华全水泵厂首先针对发电厂的具体情况对主电路进行选型设计。

1、移相变压器的设计

由于本系统的是以6kV/1000kW的功率电压等级作为研究对象，所以首先可估算出变频器的容量STN星型的接法，而二次绕组则是基于抑制谐波的考量采用了延边三角形的接法。

该高压变频器的功率单元采用两电平的结构，因此对于整流滤波环节和逆变环节的选型设计显得至关重要。考虑到三相不控整流对网侧谐波的污染要比相控整流电路要少，所以选用三相不控整流桥进行整流。而滤波电路采用电容并联的形式。对于两电平逆变H桥，贝U选用IGBT模块组建。

（1）三相不控整流电路的设计

三相不控整流桥是由6个电力二极管组合而成，在选用电力二极管时需要充分考虑二极管的正向平均电流和反向重复峰值电压两个参数。二极管的正向平均电流扣是以电流发热效应的允许范围为原则进行定义的，因而在计算时需要按照有效值相等的原则进行计算，并留有适当的裕量。

（2）滤波电容的选型设计

由于在功率单元中采用的是二极管不控整流的方式，所以能量不能对电网进行回馈，这时通过滤波电容对后级电动机进行无功功率的交换，其设置可使得功率单元的输入功率因数保持在0.95以上。因为滤波电容的设置是为了平滑脉动的整流电压，所以其选取需要充分考虑到直流母线上电压脉动的允许范围。因为直流母线上电流的波动与负载的功率因数COS0有关，所以也就造成了母线直流电流所引起的电压波动也与负载的功率因数cos少有关。根据华全管道泵设备选型的经验，负载的功率因数角可以对应到与直流母线电压波动相关的参数A上，如表3所示。

（3）IGBT的选型设计

IGBT作为融合了MOSFET为输入级和PNP晶体管为输出级的复合型元件，其既拥有MOSFET的低驱动功率和高开关速度的特点，又拥有双极性晶体管低通态压降和大容量的优势，因此在较高频率的中大型功率电路中有着广泛的应用。而IGBT的选型需要综合考虑该器件的关断峰值电压与尖峰电流。

3、功率单元快速旁路技术

鉴于本高压变频器特殊的主电路拓扑，其串联的某个功率单元一旦发生故障，都会对整个变频器的运行带来影响。而对于其所带的是凝结水泵这种负载，它对运行的稳定性有较高的要求，倘若出现因功率单元的故障造成变频器停机，将会对设备的运行造成极大的危害。正是基于这样的考虑，在设计时对于功率单元输出部分需要加装旁路接触器。在某些功率单元发生故障时，通过旁路接触器对其进行旁路，进而再通过相应的方法来解决输出电压不对称的问题，从而使得变频器能够在降低输出功率的情况下维持一段时间的运行。

变频器每相的5个串联功率单元都正常运行，没有单元被旁路，三相保持了互差120°的对称满额功率输出。而一旦有功率单元发生故障，则旁路接触器迅速的旁路该故障单元。同时检测剩余的单元输出电压能否支持电机的运行，而这一系列的动作都要在0.5s的时间内完成，从而避免对华全管道泵的运行造成影响。对于电机和变频器，由于它们之间的中性点没有相连，因而变频器的中性点始终是处于悬浮中的。当一个或多个功率单元发生故障时，每相串联的功率单元数发生变化，因而会使得变频器的输出电压发生不对称的情况，这样是不能输出给电机使用的。传统的处理方法是在相应的电压输出相切除部分功率单元，从而使三相电压能达到平衡，而这种做法必然使得变频器的输出功率急剧减小。下面介绍采用中性点偏移的技术改变变频器的输出相电压的相位角，使得变频器输出平衡的线电压供电机使用。如图14所示为B相B5和C相C4、C5发生故障时，各相位角的调整情况。通过调整A相和B相的相位差为96.9°，而A相和C相之间的相位差为113.1°，使得变频器的输出线电压达到平衡。这时虽然只有80%的功率单元在被继续使用，但是却能提供65%的电压，这要大于采用传统旁路技术拆除其他功率单元后仅提供的60%的电压。由此可见，采用中性点偏移技术可以大大地提升功率单元的利用率和变频器的输出电压能力。根据计算结果可以得到如表5所示的采用中性点偏移技术后的变频器各相电压参数。

表4：中性点偏移的变频器输出电压参数

三、小结

首先分析了发电厂凝结水泵的基本工作原理，进而按照华全水泵调速工艺的要求设计了单元串联型?压变频器的主电路，同时对用于应对故障的功率单元快速旁路技术进行了研究。

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