一种大功率AFE变频器试验方法

宋鹏，王辉，王德默，袁媛，张向前

（1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072； 2.天津电气传动设计研究所有限公司，天津 300180； 3.中石化管道储运分公司南京输油处，江苏 南京 210000； 4.天津市无缝钢管厂，天津 300220；）

1 引言

自19 世纪80年代中期4500 V 门极关断晶闸管（gate turn off，GTO）问世以来，中压大功率变频器及相关传动行业得以迅速发展[1]。 近20年，随着电力电子器件和微处理器技术的飞速 发展，中压大功率变频器的性能日益完善。目前，中压大功率传动系统已经广泛应用于冶金、新能源、高压直流输电，灵活交流输电、电力牵引、有源滤波等众多工业场合，在提高生产效率和节能降耗方面发挥着重要作用[2-5]。

由于传输功率较大，中压大功率变频器的功 率试验容易受到试验设备、场地、电源容量等许多因素的限制，完成额定容量功率试验的难度较大。文献[6]介绍了常见的三种变频器功率试验方法：等效法、模拟法和机组对拖法。对大功率变频器来说，等效法消耗的能量太大，显然不可行；模拟法和机组对拖法要求与被试变频器容量相当的陪试机组，构建这样的试验系统需投入相当大的成本，占地面积也较大。

对于交-直-交结构变频器，整流部分可以是二极管整流桥或者有源前端（Active Front-End，AFE，即通常所说的PWM 整流器）。AFE 整流的直流电压可调，能量可以双向流动，变频器能够四象限运行，具有较好的动、静态性能。本文针对大功率AFE 变频器提出一种简易功率试验方法，其基本思想是让能量按照AFE → 负载电抗 → 逆变器 → 直流侧 → AFE 这一路径循环，电网仅向试验系统提供线路损耗，从而实现用较小的功耗实现变频器的大功率测试。所述方法系统构成简单、设备少、损耗小，且操作灵活。同时，本试验方法功率因数可调，可模拟不同工况进行功率测试，考虑到变频器功率器件温升分布可能随运行工况的不同而不同[7]，该方法可以实现大功率AFE 变频器在不同工况下的温升测试。

2 试验方法原理

图1给出了所述试验方法的主回路示意图，图中三相交流接线采用单线图表示。

图1 主回路示意图 Fig.1 Schematic plan of power circuit

如图所示，被试变频器的AFE 和逆变器交流侧通过负载电抗器相连，变频器的直流侧由二极管整流桥提供直流电压。试验时，整流桥输出的直流电压近似恒定，通过控制AFE 和逆变器的输出电压，可灵活调节电抗器两端电压，进而调节流过AFE/逆变器的电流及功率因数。

图2给出了图1电路对应的原理图。

图2 电路原理图 Fig.2 Schematic diagram of experiment circuit

图2所示的电压、电流关系为

图3 电压、电流相量图 Fig.3 Phasor diagram

图中，Δθ为滞后于的角度，φ为电流相量的相角，-φ即为功率因数角，其数值等于Δθ的一半。可见，对于任意给定的，若期望试验的电流幅值和功率因数已知，则电流相量已知，进一步可算出期望输出的于是，通过控制AFE 和逆变器的输出电压分别等于和，即可实现对AFE 在期望输出功率和功率因数下的功率试验。举例来说，若选LT的标幺值为10%，和的幅值均为100%，则设置Δθ= 5.8°时输出电流达到额定，且功率因数为0.999。

理论上讲，通过适当调节AFE 和逆变器输出电压的相角偏差和幅值偏差，功率因数调节范围可以是[-1，1]。但是在一些工况下，例如幅值为100%、AFE 输出容性无功且功率因数较低，要求的幅值大于100%。由于图1电路中可以流通3 次谐波电流，本文方法不适合采用3 次谐波叠加方法提高调制度，装置无法输出大于100%的基波电压，因此对这种输出电压幅值超过100%的情况，需考虑适当减小幅值。

另外，负载电抗取值要适当，取值过大可能无法输出额定电流，过小则电流波形畸变会很严重，与实际工况不符，通常可选10%左右。

3 仿真分析

为了验证所述试验方案的可行性，针对一台大功率三电平变频器做了仿真研究。变频器的额定值为：正、负组直流电压设定为Udc= 2.4 kV，额定输出电压Un= 3.3 kV，额定输出容量Sn= 8 MV•A。负载电抗为LT= 0.4 mH，考虑到中压变频器通常需要限制其电压变化率，模型中在AFE和逆变器的交流侧安装了LC 结构的du/dt滤波器，AFE 和逆变器均采用三角波比较正弦PWM调制，载波周期1.6 ms。

3.1 运行工况控制

考虑图3分析的情况，设定AFE 和逆变器输出相电压幅值相等，有效值均为1 700 V，相角差Δθ= 6°，不难算出此时电流ⅠL= 1 400 A，功率因数0.998，AFE 输出的有功、无功分别应为7.1 MW和14 kvar。为了和后续试验系统保持一致，仿真的电压、电流测量点选在滤波器输出一侧，这会给测量结果和理论预期造成微小误差。图4给出了此时AFE 侧电压电流仿真结果。

图4 单位功率因数时的电压、电流 Fig.4 Voltage and current waveforms under unit power factor

可以看出，图中的电压、电流波形与常见的三电平变流器工作电压、电流基本相似。电压波形中含有较大尖峰，这是由于du/dt滤波器中的电容和电感谐振所致，实际试验时由于线路中的电阻阻尼存在，电压尖峰会有所减小。谐波分析表明，相电压基波约为1 670 V，电流基波约为1 340 A，相比设定值的误差分别为1.76%和5%。其中电压误差主要是由于电力电子器件管压降和du/dt滤波器上的电感分压所致，仿真中的AFE和逆变器采用IGBT 器件，如果改为理想开关器件，上述电压误差会更小。仿真得出AFE 输出的有功功率在6.8 MW 附近波动，无功功率在0.5 Mvar 附近波动，和预期输出相比，有功功率的误差约4.2%，非常接近。无功功率和期望输出相差较大，如前所述，这是由于理论分析中没有考虑du/dt滤波器导致的误差。

为了验证对功率因数的调节，设置AFE 输出电压幅值为1 700 V，逆变器侧输出电压幅值为1 580 V，两边电压的相角差为Δθ= 4.6°，可以算出这一工况下的ⅠL= 1 400 A，功率因数为0.707，AFE 侧的有功和无功输出分别为5 MW 和5 Mvar，图5给出了这一工况下的仿真结果。

图5 功率因数0.707 时的电压、电流 Fig.5 Voltage and current waveforms under power factor of 0.707

图5a 所示为电感两端电压经1.6 ms 平均值滤波后的结果，其实际值为AFE 和逆变器A相电压之差。谐波分析表明，此时的电流基波约为1 340 A，与期望值非常接近；有功输出在5 MW附近波动，无功输出在4.5 MVar 附近波动，符合仿真前的预期。

3.2 功率器件损耗

变频器功率试验的一个重要目的是测试其功率器件的温升，这一温升主要是功率器件的通态损耗和开关损耗引起。影响功率器件损耗的主要因素有：流过器件的电流、直流电压和器件的开、关时刻[7]。在第2 节中已指出，本文方法电压给定不叠加3 次谐波，因此其脉冲的开、关时刻可能与叠加3 次谐波时不同，有必要对此做出分析以确认本文方法能够模拟实际变频器的温升。下面以一台三电平变频器为例，考察了其分别采用叠加3 次谐波和不叠加3 次谐波时的1#管脉冲，如图6所示。

图6 功率器件损耗仿真 Fig.6 Simulated results of power devices loss

图6中虚线是采用本文方法的仿真结果，实线是三电平逆变器向阻感负载馈电的仿真结果，其电压给定中叠加有3 次谐波。仿真功率因数为0.93，其他设定和3.1 节相同。居于上方的图为1#功率器件的触发脉冲，居于下方的图给出了流过器件的电流。三角波是PWM 调制的载波，两种情况的载波完全相同。由图6可以看出，两种方式PWM 脉冲的开、关时刻非常接近，并且在脉冲开、关时刻流过器件的电流也近似相等，因此可以推论：本文方法可以较为准确的测试变频器功率器件损耗、温升。

4 试验验证

所述试验方法在一台大功率三电平AFE 变频器上做了试验验证。变频器额定值与仿真相同，功率器件采用集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT），型号为5SHY 35L4520，最大耐压4 500 V，最大反向关断电流4 000 A。被试变频器的实物照片如图7所示。

图7 大功率IGCT 三电平AFE 变频器 Fig.7 Picture of the tested high power IGCT 3-level AFE converter

试验系统按图1方式接线，负载电抗0.4 mH。为安全考虑，试验电压、电流及输出功率逐渐提升。首先试验输出功率约1/4 额定时的工况，直流电压设定为1 200 V，AFE 和逆变器输出电压给定均设为760 V，电压相角差设为6.6°，根据上述设定可以算出输出电流应为700 A，功率因数大约0.998。为避免相角差计算错误导致意外输出大电流，试验中根据采样到的电流峰值对输入的相角差做了限定：当电流峰值大于预设门限值，则锁定相角差为当前值。输出1/4 功率时的试验结果如图8所示。

图8 1/4 额定工况下的电压、电流 Fig.8 Experimental voltage and current waveforms under half ratings

图8中，CH1～CH3 分别为A相电压（1 kV / 格）、AB线电压（1 kV /格）和A相电流（500 A /格）。可以看出，电压、电流与仿真波形非常相似，变频器工作正常。对示波器数据的谐波分析结果表明，相电压基波710 V，输出电流基波583 A，和给定值有较大差别，这主要是由于电流波形中包含的某些低频谐波，使得波峰、波谷处的幅值被抬升或降低，达到电流预设门限所致。图中相电压和相电流的相位几乎一致，谐波分析结果表明，基波相角差约为4.5°，和预设值接近。总体来看，试验电压、电流尖峰不大，波形基本保持正弦，能够满足模拟变频器正常运行工况的要求。

图9给出了5 MW 功率试验结果。

图9 5 MW 功率试验结果 Fig.9 Experimental results of 5 MW power test

图9中，CH1～CH3 分别为1#、2#管压降（1 kV /格）和相电流（2 000 A /格）。直流电压2 400 V，相电压1 350 V，相电流1 350 A，输出功率约 5.5 MW。图9b 给出了1#IGCT 开通时的暂态电压、电流，其中用示波器光标a，b 测量出1#管压降因限流电抗续流引起的电压尖峰值为940 V，在IGCT 可承受范围内。该图的结果反映了被试变频器母排的杂散电感、限流电抗的值是否合理，是验证IGCT 变频器结构设计的重要依据。

5 结论

本文提出一种大功率AFE 变频器功率试验方法，在变频器的AFE 和逆变器之间接入电感，通过调节AFE 和逆变器输出电压的幅值差和角度差，可以灵活调节AFE 的输出电流，使得变频器运行在期望的功率和功率因数。该方法可以验证此类大功率变频器可靠性及负载能力，考察功率器件运行温升，具有成本低、耗能少、对电网影响较小，操作方便等优点。仿真及试验结果表明，所述方法具有较好的实用性及可操作性，可在一定程度上替代传统的串联机组拖动方法。最后，该方法不仅适用于中压大功率场合，对低压小功率变频器试验也可供借鉴。

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