一种适用于级联式高压变频器老化测试的平台设计

   随着电力电子元器件的飞速发展，国内外高压变频器正朝着小型化、大容量化方向发展。目前，国内外知名的高压变频器厂家其容量均已做到10MW以上，甚至达到20MW。但是，大容量高压变频器在现场调试时容易出现这样或那样的问题，由于现场测试流程比较复杂，从现场调试到正常投运，周期往往较长。造成此现象的一个关键原因就是高压变频器出厂时不能经过长时间的额定电流下的稳定运行即老化测试。在高压变频器行业内，整机老化的方式主要是直接带电机和能量回馈两种。考虑成本以及兼容性等问题，厂内测试的电机容量往往有限，所以，直接带电机的方式仅适合于电流较小的场合，一般不超过100A。而能量回馈的方式需要一台大容量的四象限变频器将电能回馈到电网；此种方式虽然将能量回馈到电网，但是试验成本高，性能稳定性不高，且损耗高，不经济。

   目前，高压变频器的拓扑结构主要是级联式，由不同级数的低压模块串联组合成高压系统。6kV电压等级下分别有5级和6级；10kV电压等级分布有8级和9级。故后续所说的高压变频器或者变频器均是指级联式高压变频器。通过对变频器的拓扑及工作原理的分析，结合光伏逆变器并网控制策略，在对原有变频器不改动的情况下，成功设计大容量变频器的老化测试平台，并通过测试验证。在老化测试平台中，变频器相当于一个电压源，故在变频器和厂内电网之间需要加电抗装置，用于平衡高压电频器与电网之间的电压压降。电压、电流的采样点仍与变频器的一致，分别位于变频器的进线端及输出端。

   整个控制系统基于旋转坐标系，将变频器的输出交流量转化为直流量，便于PI调节控制。系统主要包括锁相环和SVPWM（空间矢量脉宽调制）等模块，其核心是锁相环。由于电网侧电压存在三相电压不平衡以及谐波的情况，锁相原理如下：三相电压传感器采集的电压信号经过等量3s/2r变换（三相静止坐标系abc变换为两相同步旋转坐标系dq）得到电网电压正序分量和负序分量；由于采样误差以及噪声的影响，需要对正序分量通过一阶低通滤波器滤掉交流噪声的处理，从而得到网侧电压的正序分量。考虑模块的通用性和控制的稳定性，将正序分量进行标幺化处理。当锁相角度与电网电压相位同步时，q轴分量为0。故将0作为给定量，q轴分量作为反馈量，经过PI调节后得到角频率的误差信号，再考虑理论角频率的前馈作用，即得到网侧电压的实际角频率，角频率经过一阶积分环节即得到电网电压的相位。锁相环的正确与否决定了变频器输出电压、电流的方向是否与电网的一致，也是决定试验能否成功的关键一环。

   另一个核心的模块就是SVPWM。为提高直流利用率，减少开关次数，采用改进型SVPWM调制。传统SVPWM是根据二相静止坐标系下电压分量合成空间电压矢量指令，根据空间电压矢量处于不同的区间，输出功率开关电路中三相模块的PWM导通信号，使实际的空间电压矢量尽可能逼近指令电压矢量，以达到电流控制的目的。通过控制开关管的导通与关断，控制开关管侧的输出电流。但上述SVPWM是基于三相半桥、单级模块系统，而级联式高压变频器是有不同级的全桥模块串联组成的高压系统，所以需要对SVPWM进行改造。此控制系统的实现方式如下：①先将级联式高压变频器的第一级作为基准，全桥模块分为两个半桥系统，分为左半桥和右半桥。而左半桥和右半桥采用导通信号互补的方式，即只需要考虑半桥即可，这样就与二电平SVPWM方式一致。此作为级联式模块的基准PWM信号，在DSP中实现；②由于级联式高压变频器的级数不定，且通常都采用移相载波的方式对不同级数的模块导通信号处理。设模块的级数为n，移相角度则为pi/n；由DSP设定模块级数及载波频率， FPGA根据实际需要对载波进行相应的移相，生成适用于级联式高压变频器的SVPWM。

另外，为了更快响应网侧电压变化，降低起动冲击电流，控制系统中采用网侧电压前馈的方式，很好地实现小电流无冲击并网。

   依据上述控制技术，实现了级联式高压变频器老化测试平台的设计，并顺利通过了6kV、10kV不同级数、不同容量段的全功率测试，性能良好。变频器老化平台的设计成功，能为变频器的出厂品质保驾护航，大大提高了公司产品的竞争优势，降低了产品在工程现场的调试时间以及故障率。同时，老化测试平台具有操作简单，系统损耗低，可以在以后产品中大规模使用，具有良好的经济效益。