CN115308515A - 一种igct三电平功率单元试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGCT三电平功率单元试验系统及方法，控制模块根据脉宽调节量与扩展后正弦电压的关系，改变IGCT三电平功率单元中逆变单元给定的脉宽调节量，负载电感L的两端形成电压差，同时得到扩展后的正弦电压；控制模块构建IGCT三电平功率单元热阻模型，并根据不同的正弦电压计算IGCT三电平功率单元温度；控制模块比较IGCT三电平功率单元温度与IGCT三电平功率单元温度最大值的关系，得到被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。本发明能够评估大容量电力电子装置的极限输出能力，结合了对IGCT三电平功率单元温度的准确估计，可有效减少极限测试时IGCT三电平功率单元损坏的概率。

Description

一种IGCT三电平功率单元试验系统及方法

技术领域

本发明属于IGCT测试技术领域，尤其是一种IGCT三电平功率单元试验系统及方法。

背景技术

随着工业电力系统的高速发展，各种MVA级大容量电力电子装置在冶金、机车电力牵引、大型船舶电力推进和电厂发电机励磁系统中应运而生。大容量电力电子装置的极限输出能力是重要的试验内容之一，对于大功率或超大功率变频器，因受试验设备容量、电源容量等因素，难以对装置的最大输出能力进行测试。如今大功率IGCT三电平变流器常采用同步对称优化PWM调制降低电流谐波、提高输出功率，而已报道的测试方法大多采用SPWM进行额定功率等效近似测试，其测试条件与实际运行工况存在较大误差，无法实现装置极限输出能力的准确评估，进而限制了IGCT等IGCT三电平功率单元能力的充分利用。本发明的目的在于克服现有技术不足，提出基于同步对称调制及温度估计模型的IGCT三电平变流器功率实验方法，可测试不同负载功率因数下、可逆运行下的装置容量，对功率IGCT三电平功率单元温升进行准确测试；此外本发明采用PWM脉宽实时调节的方式，相比于一般同步调制方法中直接改变查表角度或查表电压的方式，进一步减小了电流纹波，使测试电流更贴近实际情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种IGCT三电平功率单元试验系统及方法，采用同步对称PWM调制进行IGCT三电平功率单元功耗发热测试与实际工况一致，且做到负载电流相位、幅值任意调节，进而能够评估大容量电力电子装置的极限输出能力，结合了对IGCT三电平功率单元温度的准确估计，可有效减少极限测试时IGCT三电平功率单元损坏的概率。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种IGCT三电平功率单元试验系统，包括整流单元、直流电源、中间直流侧和负载电感L，其中直流电源连接中间直流侧，中间直流侧的输出端分别连接整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输入端，整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输出端之间通过负载电感L相连。

一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、控制模块根据脉宽调节量与扩展后正弦电压的关系，改变IGCT三电平功率单元中逆变单元给定的脉宽调节量，负载电感L的两端形成电压差，同时得到扩展后的正弦电压；

步骤2、控制模块构建IGCT三电平功率单元热阻模型，并根据不同的正弦电压计算IGCT三电平功率单元温度；

步骤3、控制模块比较IGCT三电平功率单元温度与IGCT三电平功率单元温度最大值的关系，得到被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

而且，所述步骤1的中脉宽调节量Δt与扩展后正弦电压u的关系为：在正弦电压给定值U生成的PWM脉冲电压基础上扩展Δt时间，当Δt>0时，扩展后的正弦电压u幅值增加，当Δt<0时，扩展后的电压u幅值减小，正弦电压给定值U和扩展后的电压u加在负载电感两端形成电压差。

而且，所述脉宽调节量Δt的调节方法为：

Δt＝sin(θ+Δθ)*Δu

其中，θ为正弦电压给定值U的角度，Δθ为正弦电压给定值U的向量角θ的附加角度，Δu为正弦电压给定值U的附加电压。

而且，所述步骤2中IGCT三电平功率单元热阻模型为：

τ_jc＝R_jc*C_jc

τ_ch＝R_ch*C_ch

τ_ha＝R_ha*C_ha

其中，PIGCT三电平功率单元的总功耗，R_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热阻，R_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热阻，R_ha是散热器热阻，C_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热容，C_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热容，C_ha是散热器热容，τ_jc是IGCT三电平功率单元结壳层热时间常数，τ_ch是IGCT三电平功率单元壳-散热器层热时间常数，τ_ha是散热器热时间常数，T_a是环境温度。

而且，所述IGCT三电平功率单元的总功耗P的计算方法为：

P＝P_IGCT导通+P_IGCT损耗+P_{二极极导通}+P_{二极管损耗}

其中，P_IGCT导通为IGCT导通损耗，P_开关为IGCT开关损耗，P_{二极极导通}为二极管的导通损耗，P_{二极管损耗}为二极管的开关损耗。

而且，所述步骤3的具体实现方法为：通过改变脉宽调节量调节正弦电压，改变输出电流的幅值和相位，使输出电流相位与基准电压U相位差保持为0°或180°，逐渐加大输出电流幅值，直到测得的IGCT三电平功率单元结温T_j达到最大值，记录此时的电流幅值，此时的电流幅值为被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明的控制模块根据脉宽调节量与扩展后正弦电压的关系，改变IGCT三电平功率单元中逆变单元给定的脉宽调节量，负载电感L的两端形成电压差，同时得到扩展后的正弦电压；控制模块构建IGCT三电平功率单元热阻模型，并根据不同的正弦电压计算IGCT三电平功率单元温度；控制模块比较IGCT三电平功率单元温度与IGCT三电平功率单元温度最大值的关系，得到被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。本发明能够评估大容量电力电子装置的极限输出能力，结合了对IGCT三电平功率单元温度的准确估计，可有效减少极限测试时IGCT三电平功率单元损坏的概率。

2、本发明的试验系统包括整流单元、逆变单元、直流电源、中间直流侧和负载电感L，其中直流电源连接中间直流侧，中间直流侧的输出端分别连接整流单元和逆变单元的输入端，整流单元和逆变单元的输出端之间通过负载电感L相连，试验系统采用同步对称PWM调制进行IGCT三电平功率单元功耗发热测试与实际工况一致，且做到负载电流相位、幅值任意调节。

3、本发明通过改变正弦电压给定值U的向量角θ的附加角度Δθ以及正弦电压给定值U的附加电压Δu，进而改变脉宽调节量，改变脉宽调节量调节正弦电压，得到扩展后的正弦电压，本发明相对对于常规SPWM方法更加贴近实际工况，电流正弦度更好且电流包络线稳定无波动。本发明相对于常规推迟查表角度的方法，电流纹波更小。

附图说明

图1为本发明试验系统的拓扑结构图；

图2为本发明试验系统整流单元和逆变单元输出关系示意图；

图3为本发明正弦电压给定值U和附加电压Δu附加角度Δθ的示意图；

图4为本发明脉宽调节量与现有技术调节的示意图；

图5为本发明采用的同步对称PWM调制与SPWM调制对比示意图；

图6为本发明IGCT三电平功率单元热阻模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种IGCT三电平功率单元试验系统，如图1所示，包括整流单元、直流电源、中间直流侧和负载电感L，其中直流电源连接中间直流侧，中间直流侧的输出端分别连接整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输入端，整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输出端之间通过负载电感L相连，试验系统采用同步对称优化PWM调制方式形成整流单元的电压给定，在整流电源的基准电压给定基础上附加调节电压，形成逆变单元的电压给定。

其原理如图2所示，整流单元和逆变单元电压给定为U、θ，不同的U对应不同开关角度α₁、α₂...α_n：

当θ<180°时，

0<θ<α₁，输出零电平

α₁<θ<α₂，输出正电平

依此类推

当θ>180°时，θ₂＝θ-180°

0<θ₂<α₁，输出零电平

α₁<θ₂<α₂，输出负电平

...

输出电平依此类推。

一种IGCT三电平功率单元试验系统及方法，包括以下步骤：

步骤1、控制模块根据脉宽调节量与扩展后正弦电压的关系，改变IGCT三电平功率单元中逆变单元给定的脉宽调节量，负载电感L的两端形成电压差，同时得到扩展后的正弦电压。

同步对称PWM调制形成了整流单元和逆变单元的正弦电压给定U，再在逆变单元电压U的基础上附加电压Δu，将其转化成脉宽调节量Δt＝sin(θ+Δθ)*Δu，如图3所示，整流单元和逆变单元输出电压就在负载电抗两端形成电压差，通过改变Δθ和Δu即可任意调节输出电流的幅值和相位。

脉宽调节量Δt与扩展后正弦电压u的关系为：在正弦电压给定值U生成的PWM脉冲电压基础上扩展Δt时间，当Δt>0时，扩展后的正弦电压u幅值增加，当Δt<0时，扩展后的电压u幅值减小，正弦电压给定值U和扩展后的电压u加在负载电感两端形成电压差，此方法进行调节形成的电压波动比常规推迟查表角度的方法要小很多。

如图4所示，常规推迟查表角度的方法，负载电感一端是查表形成的PWM电压U，另一端通过推迟查表角度形成PWM电压u，两者电压差加在负载电感两端形成负载电流，该方法通过调节输出相位差的方式形成输出电流，缺点是负载电流纹波较大。本方法通过改变Δθ和Δu再转化成的Δt参与到逆变单元脉冲给定的方式，大幅减小了电流纹波，且电流相位幅值任意可调。

如图5所示为本发明与常规SPWM调制方法在700Hz开关频率下的测试对比图。通道1是两侧的输出电压PWM波形，通道2是电感压降和输出电流，从图中可知，本方法电流正弦度更好且电压同步对称，常规SPWM调制方法电流波形稍差且PWM电压脉宽存在随机波动。

步骤2、控制模块构建IGCT三电平功率单元热阻模型，并根据不同的正弦电压计算IGCT三电平功率单元温度。本步骤中采用的热阻模型及其计算方法，参考一种IGCT水冷散热器建模及其结温计算方法ZL202110521626.7专利。

如图6所示，IGCT三电平功率单元热阻模型为：

τ_jc＝R_jc*C_jc

τ_ch＝R_ch*C_ch

τ_ha＝R_ha*C_ha

其中，P为IGCT三电平功率单元的总功耗，R_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热阻，R_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热阻，R_ha是散热器热阻，C_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热容，C_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热容，C_ha是散热器热容，τjc是IGCT三电平功率单元结壳层热时间常数，τch是IGCT三电平功率单元壳-散热器层热时间常数，τha是散热器热时间常数，T_a是环境温度。

IGCT三电平功率单元的总功耗P的计算方法为：

P＝P_IGCT导通+P_IGCT损耗+P_{二极极导通}+P_{二极管损耗}

其中，P_IGCT导通为IGCT导通损耗，P_开关为IGCT开关损耗，P_{二极极导通}为二极管的导通损耗，P_{二极管损耗}为二极管的开关损耗。

IGCT导通损耗：

IGCT的导通损耗与导通压降、电阻率、导通电流有关。

P_IGCT导通＝V_(T0)*I_T+r_T*I_T ²

其中P_IGCT导通是IGCT导通功率，I_T是流过IGCT的电流，V_(T0)是导通压降，r_T是导通电阻。

IGCT开关损耗：

IGCT的开关损耗由导通损耗和关断损耗组成，它与开关频率、开关时刻电流、直流母线电压有关。

P_IGCT损耗＝P_on+P_off

上式中P_on和P_off是IGCT折算到一个计算周期内的开关功率，V_D是直流母线电压，I_T是流过IGCT的电流，E_on、E_off是IGCT每次开通、关断损耗的能量，T_s是计算周期。

二极管的导通损耗：

IGCT的导通损耗与导通压降、电阻率、导通电流有关。

P_{二极管导通}＝V_F0*I_F+r_F*I_F ²

上式中P_{二极管导通}是二极管导通功率，I_F是流过二极管的电流，V_F0是导通压降，r_F是导通电阻。

二极管的开关损耗

二极管的开关损耗主要指关断过程中的反向恢复损耗。该值与关断电流、直流母线电压、关断电流变化速率有关。

上式中P_off是二极管关断损耗，(di/dt_crit)是关断电流变化速率，I_F是关断电流，V_DC-Link是直流母线电压，E_rr是关断能量，T_s是计算周期

步骤3、控制模块比较IGCT三电平功率单元温度与IGCT三电平功率单元温度最大值的关系，得到被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

通过改变脉宽调节量调节正弦电压，改变输出电流的幅值和相位，使输出电流相位与基准电压U相位差保持为0°或180°，逐渐加大输出电流幅值，直到测得的IGCT三电平功率单元结温T_j达到最大值，记录此时的电流幅值，此时的电流幅值为被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

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，因此本发明包括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 (7)

1.一种IGCT三电平功率单元试验系统，其特征在于：包括控制模块、整流单元、直流电源、中间直流侧和负载电感L，所述直流电源连接中间直流侧，中间直流侧的输出端分别连接整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输入端，控制模块的输出端连接IGCT三电平功率单元中逆变单元的输入端，整流单元和IGCT三电平功率单元中逆变单元的输出端之间通过负载电感L相连。

2.一种如权利要求1所述的IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、控制模块根据脉宽调节量与扩展后正弦电压的关系，改变IGCT三电平功率单元中逆变单元给定的脉宽调节量，负载电感L的两端形成电压差，同时得到扩展后的正弦电压；

步骤2、控制模块构建IGCT三电平功率单元热阻模型，并根据不同的正弦电压计算IGCT三电平功率单元温度；

步骤3、控制模块比较IGCT三电平功率单元温度与IGCT三电平功率单元温度最大值的关系，得到被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

3.根据权利要求2所述的一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤1的中脉宽调节量Δt与扩展后的正弦电压u的关系为：在正弦电压给定值U生成的PWM脉冲电压基础上扩展Δt时间，当Δt>0时，扩展后的正弦电压u幅值增加，当Δt<0时，扩展后的电压u幅值减小，整流单元输出电压为给定值U，IGCT三电平功率单元中逆变单元输出电压为扩展后的电压u加在负载电感两端形成电压差。

4.根据权利要求2所述的一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：所述脉宽调节量Δt的调节方法为：

Δt＝sin(θ+Δθ)*Δu

其中，θ为正弦电压给定值U的角度，Δθ为正弦电压给定值U的向量角θ的附加角度，Δu为正弦电压给定值U的附加电压。

5.根据权利要求2所述的一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤2中IGCT三电平功率单元热阻模型为：

τ_jc＝R_jc*C_jc

τ_ch＝R_ch*C_ch

τ_ha＝R_ha*C_ha

其中，PIGCT三电平功率单元的总功耗，R_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热阻，R_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热阻，R_ha是散热器热阻，C_jc是IGCT三电平功率单元结壳之间热容，C_ch是IGCT三电平功率单元壳与散热器之间热容，C_ha是散热器热容，τ_jc是IGCT三电平功率单元结壳层热时间常数，τ_ch是IGCT三电平功率单元壳-散热器层热时间常数，τ_ha是散热器热时间常数，T_a是环境温度。

6.根据权利要求4所述的一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：所述IGCT三电平功率单元的总功耗P的计算方法为：

p＝P_IGCT导通+P_IGCT损耗+P_{二极极导通}+P_{二极管损耗}

其中，P_IGCT导通为IGCT导通损耗，P_开关为IGCT开关损耗，P_{二极极导通}为二极管的导通损耗，P_{二极管损耗}为二极管的开关损耗。

7.根据权利要求2所述的一种IGCT三电平功率单元试验系统的试验方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：通过改变脉宽调节量调节正弦电压，改变输出电流的幅值和相位，使输出电流相位与基准电压U相位差保持为0°或180°，逐渐加大输出电流幅值，直到测得的IGCT三电平功率单元结温T_j达到最大值，记录此时的电流幅值，此时的电流幅值为被测IGCT三电平功率单元的极限电流输出能力。

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