基于PEBB概念的鏈式結(jié)構DSTATCOM換流模塊設計

楊 昆，王 躍，陶海軍，陳國柱

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

0 引言

由于電弧爐、電焊機、軋鋼機等大容量、沖擊性無功負荷以及電力電子裝置等非線性負荷的大量應用，配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題日益嚴重[1-2]。配電網(wǎng)靜止同步補償器（DSTATCOM）可有效解決由于無功和諧波引起的電壓跌落或上升、三相不平衡、電磁干擾、損耗和噪聲等電能質(zhì)量問題，并且運行性能優(yōu)越，具有調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬、輸出諧波小等優(yōu)點，應用前景良好，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[3-5]。

鏈式結(jié)構DSTATCOM的基本功率單元為基于H橋逆變器的換流模塊（HCM），結(jié)構簡單，便于模塊化設計。其采用低耐壓開關器件和無源元件，通過HCM交流側(cè)串聯(lián)提高裝置耐壓等級，由單個器件較低的開關頻率實現(xiàn)高等效開關頻率的效果，有效減小裝置損耗，降低交流濾波器容量，廣泛應用于補償要求較高的中壓配電網(wǎng)。大量文獻對基于該拓撲DSTATCOM的模型分析、運行特性、交/直流側(cè)控制策略、調(diào)制方式及應用領域等展開了深入討論，取得了豐富成果[6-11]，但少有涉及功率單元HCM的軟硬件設計。

換流模塊的可靠性、可控性和可測量性直接關系DSTATCOM整體的補償性能和穩(wěn)定性，并且具有高功率密度、模塊化設計的HCM方便實現(xiàn)電壓和容量匹配，增強裝置補償性能和靈活性，是DSTATCOM的核心組件。本文基于PEBB概念，以模塊化，控制、供電和檢測分散智能化，以及可靠性為目的，介紹了一種集成功率變換、驅(qū)動控制、檢測保護等功能的“即插即用”型HCM，包括主電路原理及參數(shù)設計、結(jié)構及散熱設計；基于CPLD開發(fā)了具有高可靠性的通用模塊控制器；搭建HCM實驗平臺，通過實驗測試驗證了設計的正確性，并且在一臺10 kV/±3 Mvar工業(yè)樣機上進行實驗，驗證了模塊的可靠性。

1 HCM主電路設計

1.1 主電路原理及電氣參數(shù)

HCM電路原理如圖1所示，主電路包括基于IGBT的H橋逆變器、直流支撐電容Cdc、尖峰吸收電容Cs和直流泄放電阻Rdc。

圖1 HCM電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of HCM

通過橋臂的開關組合可以獲得不同的等效交流輸出電壓UAB。IGBT電氣參數(shù)主要考慮器件耐壓、電流和開關頻率，模塊化設計還需要考慮封裝、發(fā)熱和寄生參數(shù)等問題，每個橋臂（VTL1，2、VTR1，2）通過若 干IGBT 并聯(lián)組成，以滿足 HCM 功率要求[12]；Cdc容值選擇主要考慮脈動電壓的抑制能力，此外還需要根據(jù)仿真確定極限工況時流過的紋波電流，通常采用多個金屬化膜電容并聯(lián)獲得較高的紋波電流吸收能力[13]；尖峰吸收電容用來抑制由于IGBT引線及雜散電感產(chǎn)生的關斷尖峰，根據(jù)吸收回路能量守恒確定其參數(shù)；裝置退出運行后，直流支撐電容存儲的能量通過泄放電阻釋放，保證操作人員安全，放電時間根據(jù)用戶及行業(yè)標準確定。

1.2 結(jié)構及散熱

應用SolidWorks軟件根據(jù)上述原則，設計了額定功率278 kW、電流600 A的HCM，每個橋臂采用3只英飛凌公司FF450R17ME4型IGBT并聯(lián)，模塊3D效果圖如圖2所示，其電氣間隙、爬電距離和載流密度等都滿足國標和IEC標準，并且直流側(cè)采用層疊母線以減小寄生參數(shù)影響。HCM功率接口為交流母線的2個連接端子，散熱為2個進出水快速接頭，控制包括上行、下行2根通信光纖及電源接口，模塊內(nèi)部集成控制、保護及狀態(tài)檢測等功能，在應用時只需將交流側(cè)端子根據(jù)電路拓撲連接，快速接頭與主管路連接，通信光纖與主控制器對應連接，隔離交流20 V供電，即實現(xiàn)即插即用。在實際DSTATCOM運行過程中，單個模塊故障拆卸及安裝時間小于5min，充分保證了工作效率。

圖2 HCM 3D效果圖Fig.2 3D impression drawing of HCM

HCM工作溫度需要滿足行業(yè)和用戶要求[14-15]，通過仿真計算方法驗證熱設計，可有效減少開發(fā)成本周期。設HCM最高開關頻率2.5 kHz，根據(jù)仿真計算及數(shù)據(jù)手冊提供熱阻參數(shù)，并保留一定余量，有：模塊額定工作損耗2 kW，芯片到散熱基板溫差小于25℃。為保證器件工作溫度不超過90℃的安全范圍，采用水冷方式散熱，若最高工作環(huán)境溫度設計為45℃，考慮由于器件基板和散熱器連接處存在5℃溫差，則散熱器穩(wěn)定后溫度應小于60℃。根據(jù)上述條件，將IGBT看作恒功率源，在確定水冷板結(jié)構前提下調(diào)整水流量進行仿真，以保證散熱要求，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 散熱器仿真結(jié)果Fig.3 Simulative results of heat sink

2 模塊控制器設計

2.1 模塊控制器結(jié)構

模塊控制器結(jié)構見圖4，由供電、接口、驅(qū)動、檢測和控制5個單元組成，主要實現(xiàn)與DSTATCOM系統(tǒng)控制器串行通信，接收控制信號及驅(qū)動IGBT開關工作，同時反饋模塊狀態(tài)。

供電單元原理如圖5所示，供電單元為其他功能單元供電，由于電源品質(zhì)和可靠性直接影響模塊控制器穩(wěn)定性和性能，因此采用高可靠性、穩(wěn)壓輸出的模塊電源完成，設計時要充分考慮容量和負載效應，并且與驅(qū)動電路連接的部分輸出要做EMC處理，防止主功率回路對控制回路的反向干擾。

為保證通信速度和可靠性，采用光纖傳遞控制/反饋信號，接口電路實現(xiàn)光/電信號轉(zhuǎn)換，此外模塊狀態(tài)指示及控制器復位也通過接口電路實現(xiàn)；驅(qū)動單元與功率回路直接電氣連接，而HCM在高壓大容量開關工作條件下電磁環(huán)境惡劣，為保證模塊運行可靠性，采用在工程廣泛使用的CONCEPT公司SCALE2系列專用驅(qū)動核設計驅(qū)動單元。除驅(qū)動功能外，驅(qū)動核還提供了必要的保護，包括上下橋臂硬件開關死區(qū)、短路保護、有源箝位實現(xiàn)過壓保護、驅(qū)動核電源故障等[12，16]，并將故障反饋控制單元。

檢測單元包括直流電壓檢測和IGBT過溫檢測，基本原理如圖6所示。圖6（a）中，直流電壓檢測電路通過壓頻轉(zhuǎn)換芯片將模擬的直流電壓信號Udc轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號，再經(jīng)隔離電路送入控制單元處理；圖6（b）中，過溫檢測電路利用IGBT內(nèi)部負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）特性，判斷散熱基板殼溫，隨模塊溫度升高，NTC阻值下降，采樣電壓Us上升，當Us大于參考電壓Uref時比較器輸出電平反轉(zhuǎn)，參考電壓根據(jù)仿真計算的IGBT發(fā)熱量、NTC溫度特性曲線、IGBT最高工作結(jié)溫、IGBT芯片結(jié)到殼熱阻確定。

圖4 模塊控制器結(jié)構Fig.4 Block diagram of module controller

圖5 供電單元原理圖Fig.5 Schematic diagram of power unit

圖6 檢測單元框圖Fig.6 Block diagram of detection unit

2.2 基于CPLD的控制單元設計

控制單元是HCM工作的核心，基于CPLD設計，根據(jù)不同應用要求，開發(fā)相應軟件，有效提高HCM應用靈活性和抗干擾能力。本文設計的控制單元原理如圖7所示，包括頻率計、通用移步串行通信（UART）、狀態(tài)鑒別和信號分配4個子模塊。

圖7 控制單元框圖Fig.7 Block diagram of control unit

頻率計模塊用來測量檢測單元輸入信號的頻率，其CPLD實現(xiàn)原理見圖8。采用標準時鐘脈沖對被測輸入信號進行周期計數(shù)，輸入信號經(jīng)整形分頻后轉(zhuǎn)換為周期為原來2倍的方波信號，再分別采用2個高、低有效計數(shù)器，在分頻信號高、低電平的半個周期內(nèi)對標準時鐘計數(shù)，計數(shù)器在無效狀態(tài)時清零，并將計數(shù)結(jié)果儲存在響應寄存器中，通過多路選擇器保證始終輸出最近更新的計數(shù)結(jié)果，選擇信號sel由分頻器輸出決定。選擇器輸出即反映輸入信號頻率，可根據(jù)fdc=fs/n計算還原，其中fdc為被測輸入信號頻率，fs為標準時鐘頻率，n為二進制計數(shù)結(jié)果。

圖8 頻率計實現(xiàn)原理Fig.8 Schematic diagram of frequency meter

模塊控制器和系統(tǒng)控制器之間利用UART進行通信，其實現(xiàn)原理見圖9，包括接收器和發(fā)送器。通過有限狀態(tài)機（FSM）控制移位寄存器和輸入/輸出寄存器工作時序，其中接收器中通過起始位檢測器觸發(fā)，發(fā)送器通過定時器觸發(fā)，收發(fā)時鐘由各自分頻器獲得。通信數(shù)據(jù)格式見圖10，每幀數(shù)據(jù)包括1位起始位、1位結(jié)束位和若干數(shù)據(jù)位，閑時電平拉高，起始位為低電平，結(jié)束位為高電平。上行數(shù)據(jù)為頻率計輸入周期計數(shù)值和狀態(tài)鑒別模塊輸入的HCM故障，下行信號為接收主控制器的指令。具體格式定義見表1和表2。其中，上行數(shù)據(jù)100 μs/幀，每幀18位，位寬400ns；下行數(shù)據(jù)4μs/幀，每幀8位，位寬400ns。

圖9 UART實現(xiàn)原理Fig.9 Schematic diagram of UART

圖10 UART數(shù)據(jù)格式Fig.10 Data format of UART

狀態(tài)鑒別模塊檢測模塊通信狀態(tài)，并利用頻率計輸入的頻率信號判斷電壓狀態(tài)，區(qū)分無壓、欠壓、正常和過壓狀態(tài)，各種狀態(tài)以標志位形式指示，并送信號分配模塊通過LED顯示，緊急故障送故障處理模塊處理，也可通過發(fā)送編碼模塊送主控制器處理。

表1 上行數(shù)據(jù)格式定義Tab.1 Definition of upstream data format

表2 下行數(shù)據(jù)格式定義Tab.2 Definition of downstream data format

3 HCM實驗平臺及測試

為方便驗證HCM各部分功能及性能，搭建HCM實驗平臺，并對模塊控制信號和滿載運行性能進行測試。實驗平臺基本原理見圖11，包括功率回路和控制回路。HCM基本電氣參數(shù)與主電路部分相同，此外還包括負載和直流調(diào)壓電路，用電感作負載，換流模塊工作在無源逆變狀態(tài)。調(diào)壓電路從三相電網(wǎng)取電，通過調(diào)壓器調(diào)整HCM直流側(cè)電壓，由于能量在負載和HCM支撐電容之間循環(huán)，電網(wǎng)只提供電壓支撐和補償線路、模塊損耗?？刂苹芈窞楸疚脑O計的模塊控制器和主控制器。主控制器由DSP和CPLD開發(fā)板以及光電轉(zhuǎn)換電路構成，為提高HCM等效開關頻率，采用單極倍頻PWM方式，DSP開環(huán)給定調(diào)制信號，反相前后的調(diào)制信號與三角載波比較，生成2路PWM信號控制HCM工作，調(diào)制信號頻率和調(diào)制比決定模塊輸出電壓基波頻率和有效值；編、譯碼模塊和UART模塊與模塊控制器采用相應機制進行通信，當DSP檢測到故障通過封鎖使能信號保護模塊。

功率回路斷開狀態(tài)下控制電路工作，通過示波器觀察關鍵信號波形。模塊控制器收、發(fā)1幀數(shù)據(jù)波形如圖12所示，圖中上方為收發(fā)數(shù)據(jù)整體波形，下方為收發(fā)1幀數(shù)據(jù)細節(jié)波形，可以看出控制器收發(fā)數(shù)據(jù)時序滿足控制要求。其中，接收幀有效數(shù)據(jù)為01011，表示模塊未復位，使能開放，兩橋臂輸出高；發(fā)送幀周期計數(shù)值為1010011011，代表十進制667，標準計數(shù)時鐘頻率5 MHz，則可知直流電壓為0 V時對應的頻率為7.5 kHz。狀態(tài)標志為10100，表示模塊欠壓故障，其他狀態(tài)正常。

左橋臂上下管門極驅(qū)動信號波形如圖13所示，其中IGBT開關頻率設為1 kHz，可以看出門極驅(qū)動信號開通延時 0.6 μs，關斷延時 1 μs，有效死區(qū)時間3.5 μs，關斷時門極電壓箝位在-10 V可以減小高頻噪聲影響，保證可靠關斷。

通過調(diào)壓器將HCM直流側(cè)電壓穩(wěn)定在額定800 V，控制調(diào)制信號調(diào)制比，使交流側(cè)輸出工頻額定電流600 A，實驗波形如圖14所示。由于IGBT管壓降要絕對控制在數(shù)據(jù)手冊提供的極限值內(nèi)，因此也給出器件關斷時管壓降波形?？梢钥闯鲱~定工作時，HCM直流側(cè)存在頻率100 Hz的±100 V脈動，該波動也反映到交流側(cè)，輸出電流滿足要求；層疊平面母線和吸收電容將IGBT最大關斷尖峰抑制在100 V以內(nèi)，最大管壓降小于1000 V，滿足器件安全工作要求。此外圖中還給出HCM從開始運行到溫度穩(wěn)定時間內(nèi)的溫升曲線，可以看出最高溫度滿足安全運行要求。模塊連續(xù)運行12 h，各部分功能正常。

圖11 實驗平臺原理圖Fig.11 Schematic diagram of experimental platform

圖12 模塊控制器收發(fā)數(shù)據(jù)波形Fig.12 Data sending and receiving waveforms of module controller

圖13 IGBT 門極信號波形Fig.13 Gate signal waveforms of IGBT

圖14 HCM滿載實驗波形Fig.14 Experimental waveforms of HCM with full load

為了進一步驗證HCM的運行性能，將其應用到在一臺10 kV/±3 Mvar的DSTATCOM工業(yè)樣機上進行測試，樣機每相由11個HCM串聯(lián)構成，總共應用模塊33個。圖15給出了樣機實際工作波形，uc、ic分別為一相輸出電壓和輸出電流，其中圖15（a）為樣機輸出2 Mvar容性無功時的穩(wěn)態(tài)實驗波形，樣機連續(xù)6 h運行HCM無異常，穩(wěn)態(tài)及拷機實驗結(jié)果驗證了模塊的可靠性；圖15（b）為樣機工作在負載補償模式下，負載容量從容性1.5Mvar突變到感性1.5Mvar時，樣機動態(tài)實驗波形；圖15（c）為樣機工作在公共接入點穩(wěn)壓模式下，母線電壓從9.5kV突變到10.5kV時，樣機動態(tài)實驗波形。實驗結(jié)果驗證了模塊在不同工況和負載條件下的適應性和穩(wěn)定性。

圖15 樣機實驗波形Fig.15 Experimental waveforms of prototype

4 結(jié)論

本文基于PEBB概念設計了應用于鏈式結(jié)構DSTATCOM集成功率變換、驅(qū)動控制、檢測保護等功能的“即插即用”型HCM，模塊設計了基于IGBT并聯(lián)的HCM主電路和結(jié)構，采用CPLD和專用驅(qū)動核芯片設計模塊控制器，并介紹了模塊實驗平臺，在實驗平臺測試模塊各部分功能和可靠性?？刂菩盘枩y試和滿功率運行實驗、模塊連續(xù)運行實驗驗證了設計的正確性和模塊性能。應用本文設計的HCM，在10 kV/±3 Mvar的DSTATCOM工業(yè)樣機實驗驗證了模塊的可靠性和適應性。