CN102508072A - 采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特点是：包括以下步骤：(1)将一个小容量电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，将一个小容量直流电源接在变频器中间直流侧；(2)设定整流单元以逆变器方式运行，给定整流单元的输出电压参考值

和逆变单元的输出电压参考值为

，保持

不变，调节

即可调节流经电抗器的电流

，通过调节逆变单元输出功率的大小及功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。本发明只需一个小容量电抗器和一个外接小容量直流电源即可实现大功率三电平变频器温升和损耗试验功能，具有结构简单、结果准确、所用辅助器材少、容易实现等特点。

Description

采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法

技术领域

本发明属于变频器领域，尤其是一种采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法。

背景技术

变频调速技术已经成为工业领域节能降耗、改善工艺流程、提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段，近年来，随着大功率电力电子器件的不断涌现，变频调速技术越来越向着高压大容量趋势发展，各类MW级变频器已经广泛应用于大型工业生产设备，其容量还在不断提高。

大功率变频器的发展方向之一是采用三电平拓扑，与传统的两电平变换器相比，三电平结构具有很多优点，比如：降低了每个功率器件承受的母线电压，因此可用低耐压器件实现高压大功率输出；电平数的增加改善了输出电压波形，减小了谐波畸变；可用较低的开关频率获得相对较好的电压波形，因此开关损耗小、效率高；输出电压变化率较低，改善了装置的电磁兼容性能等。目前，国外大功率变频器多采用三电平结构；但在我国，由于受电网电压等级、电力电子器件性能及技术水平等因素限制，大功率三电平变频器技术仍不成熟，在装置设计、制造及性能试验等方面仍有许多问题亟待解决。

对大功率变频器设备额定出力的试验因为受试验设备容量、场地、电源容量等的限制，很难进行稳定的额定功率试验，通常采用间接方法试验。因此，研究大功率变频器有效、节能的试验方法十分必要。已报导的试验方法大多针对功率器件或功率单元，通常这些方法难以对变频器整体性能做出评估，而且需要从电网取用较大功率，存在试验方法复杂、试验结果不准确等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、准确且仅需从电网取用较少能量的采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，包括以下步骤：

(1)将一个小容量电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，将一个小容量直流电源接在变频器中间直流侧，从而将整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成试验回路；

(2)设定整流单元以逆变器方式运行，给定整流单元的输出电压参考值

和逆变单元的输出电压参考值为

保持逆变单元的输出电压参考值

不变，调节整流单元的输出电压参考值

即可调节流经电抗器的电流通过调节逆变单元输出功率的大小及功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。

而且，所述的流经电抗器的电流

及逆变单元输出功率P₂分别为：

而且，所述的变频器采用有源前端作为整流单元，其结构是两电平或多电平交-直-交结构，变频器所使用的功率开关器件为IGBT或IGCT。

而且，所述的电抗器容量小于变频器容量的20％。

而且，所述的直流电源取自电网，其作用是为试验中的有功损耗提供能量，容量小于变频器容量的5％。

本发明的优点和积极效果是：

1、本试验方法在整流单元和逆变单元之间接有电抗器作为负载，使得功率通过整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成回路，整个试验过程除在功率器件和线路上的损耗外，没有其他有功消耗，仅需从电网取用较少的能量即可使得变频器流过较大功率，从而实现在小容量电网进行大功率变频器负载试验的功能。

2、本试验方法通过调节电抗器两端的电压差来调节负载电流，在保证电流连续的前提下，可选择的电抗器容量较小，其容量、体积也都较小，解决了常规的试验方法为了让逆变单元输出大功率需要提供与之配套的电动机及机械负载，还要考虑电动机安装、同轴连接等问题。

3、本试验方法除待试验的变频器外，只需一个小容量电抗器和一个外接小容量直流电源，因此，本试验方法所用辅助器材少、连接简单、容易实现。

附图说明

图1是本发明的电气接线原理图；

图2是本发明在测试过程的电压、电流相量图；

图3是逆变单元输出电压调制波及输出电流在一个周期内的波形示意图；

图4是一个周期内电流在逆变单元一个桥臂上的流通路径示意图；

图5是逆变单元侧的电压、电流及有功功率仿真结果示意图；

图6是整流单元的电压、电流及有功功率仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，用于实现大功率三电平变频器温升和损耗试验功能。具体包括以下步骤：

步骤1、按图1所示接线方法将一个小容量电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，将一个小容量直流电源接在变频器中间直流侧，从而将整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成试验回路。

在本步骤中，变频器由整流单元、中间直流侧以及逆变单元组成，连接在整流单元和逆变单元之间的电抗器容量根据试验需求而定，通常可以做到小于变频器容量的20％；小容量直流电源的容量通常小于变频器容量的5％，可以是常见的三相整流器加滤波电容的结构，该直流电源自电网取电并为试验中的有功损耗提供能量，由于试验中除设备和线路的损耗外，没有其他有功消耗，因此从电网取用的功率较少，对电网的冲击也较小。

步骤2、设定整流单元以逆变器方式运行，并给定整流单元的输出电压参考值为

和逆变单元的输出电压参考值为

保持

不变，调节

即可调节流经电抗器的电流通过调节逆变单元输出功率的大小及功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。

在本步骤中，

表示整流单元a相电压(即a相端子相对直流侧中点O的电压)的相量形式，

逆变单元的输出电压。如果电抗器的感抗选得较小，则

和

只需较小的偏差就可使

具有较大幅值，使得逆变单元可以在额定出力下运行。在测试过程中，其电压、电流相量关系如图2所示，通过图2中的相量关系可以算出流经电抗器的电流

及逆变单元输出功率P₂：

试验时，首先根据期望试验的工况确定逆变单元输出的电压

有功功率P₂及功率因数等参数，然后算出整流单元的输出电压

将

分别设定为整流单元、逆变单元的电压给定值，待装置稳定运行后，即可测量出变频器各功率器件的温升。若设定逆变单元输出功率和功率因数均为额定值，则可测出额定出力下功率器件的温升和损耗。上述试验过程中，功率流的路径是从逆变单元输出，经过电抗器、整流单元和中间直流侧构成的回路，整个过程除在功率器件和线路上的损耗外，没有其他有功消耗，与待测变频器的额定容量相比，试验的损耗很小，通常不到10％，因此为这些损耗提供电能的外接直流电源容量也可做得很小。

在试验过程中，保持逆变单元输出电压不变，调节整流单元侧的输出电压即可调节电抗器电流，由于电抗器感抗选得较小，其两端电压不需相差很多即可产生较大电流，使得逆变单元可运行在额定出力；通过灵活调节逆变单元输出的功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。

应该指出，虽然图1的接线方式是针对三电平拓扑变频器，但本方法也适用于两电平或其他结构的大功率变频器试验，这些变频器的功率开关器件可以是IGBT，也可以是IGCT。

本方法一个重要特性是其逆变侧功率因数可以灵活调节。由于变频器功率器件的温升和功率因数密切相关，因此功率因数可调对变频器温升测试装置十分重要。为说明功率因数对器件温升的影响，下面对二极管钳位三电平逆变器工作时的电流流通路径作简要分析。图3给出了一个周期内逆变器一相电压调制波u和该相电流i的波形，图中

为功率因数角，图示情况表明此时逆变器接感性负载。

1、区域

电流路径如图4(a)所示。此时调制电压为正，负载电流为负，逆变单元该相桥臂状态在正、零之间切换；V1和V3轮流导通，V2一直处于导通状态；负载电流在正状态时通过D1、D2流入，在零状态时通过V3、D6流入。在上述过程中，V1中几乎没有电流流过，损耗很小；V3既有导通损耗也有开关损耗；续流二极管D1、D2在导通时流过电流，存在导通损耗；D1在关断时承受反压，存在反向恢复损耗，而D2在关断时由于V2和V3开通，不承受反压，没有反向恢复损耗。

2、区域

在这一区域内的电流路径如图4(b)所示。此时调制电压为正，负载电流为正，逆变单元该相桥臂状态在正、零之间切换；V1和V3轮流导通，V2一直处于导通状态；负载电流在正状态时通过V1、V2流出，在零状态时通过V2、D5流出。和区域1)的分析类似，此时V1既有导通损耗也有开关损耗，V2存在导通损耗；D5在关断时承受反压，存在反向恢复损耗。

3、区域

电流路径如图4(c)所示。此时调制电压为负，负载电流为正，桥臂在负状态和零状态间切换；V2和V4轮流导通，V3一直处于导通状态；负载电流在负状态时通过D3、D4流出，在零状态时通过V2、D5流出。在这一区域，V2管存在导通损耗和开关损耗；D3管有导通损耗，D4管既有导通损耗又有反向恢复损耗。

4、区域

电流路径如图4(d)所示。此时调制电压为负，负载电流为负，逆变单元该相桥臂状态在负、零之间切换；V2和V4轮流导通，V3一直处于导通状态；负载电流在负状态时通过V3、V4流入，在零状态时通过V3、D6流入。在这一区域，V3、V4在导通时流过电流，存在导通损耗；V4由于开关动作还存在开关损耗，D6存在反向恢复损耗。

上述分析表明：三电平逆变单元工作时，功率器件中流过电流的大小和时间与逆变单元输出的功率因数、电压幅值有关，故器件的温升也与功率因数有关，因此，采用本试验装置通过调节逆变单元输出的功率因数，可以全面试验变频器在各种工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。

为了验证本发明的可行性，下面结合仿真实例对本发明做进一步说明。仿真时，变频器采用三电平结构，设定逆变器输出为：

P₂＝2MW，

电抗器选为1mH，线路损耗用集中参数为0.01′Ω的电阻表示；根据上述条件，可以求出PWM整流器的输出电压为：

对逆变器和PWM可控整流器均采用空间矢量调制，PWM频率为625Hz，稳态时的仿真结果如图5、图6所示。图5给出了逆变单元侧的电压、电流及有功功率仿真结果，其中，u₂为逆变单元输出的相电压波形，u_2f为u₂基波波形，i_L为电抗器上的电流，p₂为逆变单元输出的有功功率瞬时值；图6给出了整流单元的电压、电流及有功功率仿真结果，其中，u₁为整流单元a相对直流侧中点O的电压波形，即整流单元a相电压调制波形；u_1f为u₁的基波波形；i_L为a相电感电流波形；p₁为整流单元输出的瞬时有功功率，是在每个基波周期计算的结果。从图5中可以看出，逆变器输出的相电压基波u_a1其峰值为970V，有效值为686V，与给定值非常接近；相电压的基波超前于相电流，根据电压过零点超前电流过零点的相位推断，功率因数略大于0.85；有功功率的瞬时值p₂在2MW附近波动。图6的结果也和仿真设定值接近，特别是瞬时有功功率p₁在-1.98MW附近波动，表明逆变器输出的有功绝大部分被整流器吸收，仅有小部分转化为线路损耗，实现了用小容量电网试验大功率装置的目的。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将一个小容量电抗器连接在变频器的整流单元和逆变单元之间，将一个小容量直流电源接在变频器中间直流侧，从而将整流单元、中间直流侧、逆变单元及电抗器构成试验回路；

(2)设定整流单元以逆变器方式运行，给定整流单元的输出电压参考值

和逆变单元的输出电压参考值为

保持逆变单元的输出电压参考值

不变，调节整流单元的输出电压参考值

即可调节流经电抗器的电流

通过调节逆变单元输出功率的大小及功率因数，实现对不同工况的模拟，全面测试变频器在不同工况下的损耗和温升，进而准确评估装置出力。

2.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特征在于：所述的流经电抗器的电流

及逆变单元输出功率P₂分别为：

3.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特征在于：所述的变频器采用有源前端作为整流单元，其结构是两电平或多电平交-直-交结构，变频器所使用的功率开关器件为IGBT或IGCT。

4.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特征在于：所述的电抗器容量小于变频器容量的20％。

5.根据权利要求1所述的采用有源前端的大功率三电平变频器温升和损耗试验方法，其特征在于：所述的直流电源取自电网，其作用是为试验中的有功损耗提供能量，容量小于变频器容量的5％。

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