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中压三电平IGCT变频器主电路系统研究及研发
摘要
此篇论文研究了中压三电平IGCT变频器的主电路系统，重点探讨了其原理、设计方法、控制策略和应用等方面。本论文首先介绍了IGCT器件的特点及其在中压电力变换器中的应用情况，然后阐述了三电平变频器市场需求和发展趋势。接着，详细讨论了中压三电平IGCT变频器主电路的设计原理与技术指标，其中包括变流模块、电容器电压平衡、输出滤波等技术细节。最后，给出了一种基于空间矢量调制（SVM）的控制策略，并结合实验数据对其进行验证。通过本文的研究，读者可以了解到中压三电平IGCT变频器的基本原理，以及如何设计、控制和应用此种电力变换器。
关键词：IGCT变频器，三电平，电力变换器，空间矢量调制
引言
市场上有很多高压电力变频器，但在中压区间（10kV~35kV）并没有太多选择，然而这个市场需求量却很大，包括各种工业设备、交通运输、城市轨道交通等领域。传统的双电平变频器对于长距离输电（长导线、电缆等）和高功率（>500kW）的电力变换应用效果并不太好，因此三电平变频器开始被广泛使用。与双电平变频器相比，三电平变频器可以减少输出谐波，使得输出电压更接近正弦波，提高了负载的效率，减少了无功功率。IGCT功率器件具有低开关损耗、短开关时间、抗逆变能力强等优点，在高功率和中高压变换器中的应用已经越来越广泛。中压三电平IGCT变频器主电路系统是本文的研究对象，本文旨在通过详细阐述其原理、设计方法、控制策略和应用等方面，为读者提供有关中压三电平IGCT变频器的基本理论和实际工程掌握技能。
第一章中压三电平IGCT变频器的介绍
1.1IGCT功率器件的特点及其在中压电力变换器中的应用
IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）功率器件是一种新型的功率半导体器件，由ABB公司与ABB功率半导体公司共同开发、制造的新一代晶闸管，与普通的晶闸管相比，它的开通速度更快，而关断速度却没变化。同时，IGCT器件的主极、阴参考和低功率控制电路（逆变）等都被集成在一起，可以大大减小模块的体积以及减少开关周期的数目和开关产生的电磁干扰。IGCT的优点在中高压（1kV~30kV）电力变换设备和电力调节设备中得到了广泛应用。
1.2三电平变频器市场需求和发展趋势
随着工业化和城市化的高速发展，对能源运输的需求也越来越大。传统的双电平变频器用于随着市场需求的不断增大已逐步不能满足要求，因此三电平变频器成为电力变换器的主流发展方向。与双电平变频器相比，三电平变频器具有许多优点：减少输出谐波，使得输出电压更接近正弦波；减少了电磁干扰，输出电压波形更加稳定；提高了负载效率，减少无功功率等。在中高功率变频器中，三电平变频器被广泛应用。
第二章中压三电平IGCT变频器主电路系统的设计原理
2.1变流模块的设计
图1是中压三电平IGCT变频器的主电路系统（左）和变流模块（右）的示意图。变流模块主要由IGCT、反并联二极管、gate驱动电路、电载和电感器组成。IGCT器件的主极P和阴极K分别连接电载和电感器，IGCT的C相主极P1和负主极P2分别相接反并联的二极管，IGCT的A相主极P3和负主极P4分别与反并联二极管相连，IGCT的B相的连接方式与A相相同。在双电流控制方式中，当主电路通过IGCT的A相和C相时，B相的电流、电压为0。在单电流控制情况下，当主电路通过IGCT的A相时，C相的电流、电压为0，而B相的电流、电压则会发生变化。
2.2电容器电压平衡与保护
由于其他组件的存在，电容器的电压往往会出现不平衡现象，这会影响系统的性能和稳定性。为了解决这个问题，必须检测电容器的电压，并采取措施使之平衡。在电容器电压过高或过低时，需要保护系统。为了实现电容器电压平衡，一个常规的方法是将两个IGCT串联，并将它们的控制信号改为0和1；这种方法能使得两个IGCT的功率得到平均分配。在防护方面，可以设置电流和过压保护开关。
2.3输出滤波器的设计
输出滤波器是将三电平变频器的输出电压转换成输出电流的一种设备。设计输出滤波器需要考虑多方面因素，如输出电流、输出电压、输出谐波、输出滤波、输出电阻等。在设计输出滤波器时，除考虑上述多种因素外，还要考虑到滤波器的损耗问题，滤波器的损耗主要源于输出电流和电压，散热问题也要考虑进去。在选择电阻时，需要为电路提供足够的电阻值，以保证其正常运行。
第三章中压三电平IGCT变频器的控制策略
3.1单电流控制策略
在单电流控制模式下，变流模块的控制电路仅控制一个主极和一个脉冲变压器。随着时间的变化，大电流和小电流之间交替变化，使电流控制器能够在周期性的过程中控制IGCT。在控制IGCT时，IP电流评估器用来测量评估电流大小并输出控制信号，使IGCT完成开通操作；此后IGCT继续由反并联2