一種適用于級聯式高壓變頻器老化測試的平臺設計
關鍵詞： 級聯式高壓變頻器 老化測試
摘要：本文從并網技術出發，對鎖相環技術、SVPWM技術等進行研究，設計了一種適用于級聯式高壓變頻器老化測試的平臺，并通過了廠內不同等級、不同容量段的老化測試，性能良好，具有很好的經濟效益。
隨著電力電子元器件的飛速發展，國內外高壓變頻器正朝著小型化、大容量化方向發展。目前，國內外知名的高壓變頻器廠家其容量均已做到10MW以上，甚至達到20MW。但是，大容量高壓變頻器在現場調試時容易出現這樣或那樣的問題，由于現場測試流程比較復雜，從現場調試到正常投運，周期往往較長。造成此現象的一個關鍵原因就是高壓變頻器出廠時不能經過長時間的額定電流下的穩定運行即老化測試。在高壓變頻器行業內，整機老化的方式主要是直接帶電機和能量回饋兩種。考慮成本以及兼容性等問題，廠內測試的電機容量往往有限，所以，直接帶電機的方式僅適合于電流較小的場合，一般不超過100A。而能量回饋的方式需要一臺大容量的四象限變頻器將電能回饋到電網；此種方式雖然將能量回饋到電網，但是試驗成本高，性能穩定性不高，且損耗高，不經濟。
目前，高壓變頻器的拓撲結構主要是級聯式，由不同級數的低壓模塊串聯組合成高壓系統。6kV電壓等級下分別有5級和6級；10kV電壓等級分布有8級和9級。故后續所說的高壓變頻器或者變頻器均是指級聯式高壓變頻器。通過對變頻器的拓撲及工作原理的分析，結合光伏逆變器并網控制策略，在對原有變頻器不改動的情況下，成功設計大容量變頻器的老化測試平臺，并通過測試驗證。在老化測試平臺中，變頻器相當于一個電壓源，故在變頻器和廠內電網之間需要加電抗裝置，用于平衡高壓電頻器與電網之間的電壓壓降。電壓、電流的采樣點仍與變頻器的一致，分別位于變頻器的進線端及輸出端。
整個控制系統基于旋轉坐標系，將變頻器的輸出交流量轉化為直流量，便于PI調節控制。系統主要包括鎖相環和SVPWM（空間矢量脈寬調制）等模塊，其核心是鎖相環。由于電網側電壓存在三相電壓不平衡以及諧波的情況，鎖相原理如下：三相電壓傳感器采集的電壓信號經過等量3s/2r變換（三相靜止坐標系abc變換為兩相同步旋轉坐標系dq）得到電網電壓正序分量和負序分量；由于采樣誤差以及噪聲的影響，需要對正序分量通過一階低通濾波器濾掉交流噪聲的處理，從而得到網側電壓的正序分量。考慮模塊的通用性和控制的穩定性，將正序分量進行標幺化處理。當鎖相角度與電網電壓相位同步時，q軸分量為0。故將0作為給定量，q軸分量作為反饋量，經過PI調節后得到角頻率的誤差信號，再考慮理論角頻率的前饋作用，即得到網側電壓的實際角頻率，角頻率經過一階積分環節即得到電網電壓的相位。鎖相環的正確與否決定了變頻器輸出電壓、電流的方向是否與電網的一致，也是決定試驗能否成功的關鍵一環。
另一個核心的模塊就是SVPWM。為提高直流利用率，減少開關次數，采用改進型SVPWM調制。傳統SVPWM是根據二相靜止坐標系下電壓分量合成空間電壓矢量指令，根據空間電壓矢量處于不同的區間，輸出功率開關電路中三相模塊的PWM導通信號，使實際的空間電壓矢量盡可能逼近指令電壓矢量，以達到電流控制的目的。通過控制開關管的導通與關斷，控制開關管側的輸出電流。但上述SVPWM是基于三相半橋、單級模塊系統，而級聯式高壓變頻器是有不同級的全橋模塊串聯組成的高壓系統，所以需要對SVPWM進行改造。此控制系統的實現方式如下：①先將級聯式高壓變頻器的第一級作為基準，全橋模塊分為兩個半橋系統，分為左半橋和右半橋。而左半橋和右半橋采用導通信號互補的方式，即只需要考慮半橋即可，這樣就與二電平SVPWM方式一致。此作為級聯式模塊的基準PWM信號，在DSP中實現；②由于級聯式高壓變頻器的級數不定，且通常都采用移相載波的方式對不同級數的模塊導通信號處理。設模塊的級數為n，移相角度則為pi/n；由DSP設定模塊級數及載波頻率， FPGA根據實際需要對載波進行相應的移相，生成適用于級聯式高壓變頻器的SVPWM。
另外，為了更快響應網側電壓變化，降低起動沖擊電流，控制系統中采用網側電壓前饋的方式，很好地實現小電流無沖擊并網。
依據上述控制技術，實現了級聯式高壓變頻器老化測試平臺的設計，并順利通過了6kV、10kV不同級數、不同容量段的全功率測試，性能良好。變頻器老化平臺的設計成功，能為變頻器的出廠品質保駕護航，大大提高了公司產品的競爭優勢，降低了產品在工程現場的調試時間以及故障率。同時，老化測試平臺具有操作簡單，系統損耗低，可以在以后產品中大規模使用，具有良好的經濟效益。
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