微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置的工程實(shí)用技術(shù)

劉兵

摘 ?要：文章首先從開關(guān)器件的損耗分析入手，提出了一些降低裝置損耗的措施，采用多電平變換器拓?fù)湟约败涢_關(guān)控制技術(shù)等，并根據(jù)損耗分析結(jié)果對(duì)開關(guān)器件的選型進(jìn)行指導(dǎo);其次，對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置在發(fā)生電網(wǎng)短路時(shí)的保護(hù)問題進(jìn)行了分析，并對(duì)解決方案進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：開關(guān)器件;微網(wǎng)電能;電網(wǎng)短路

中圖分類號(hào)：TM761 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）36-0001-02

1 ?電力電子開關(guān)器件損耗分析

電壓源變流器損耗PTotal主要由IGBT損耗PT和反并聯(lián)二極管損耗PD組成。由開關(guān)過程中，IGBT和續(xù)流二極管的典型電壓電流波形可知，IGBT在開通和關(guān)斷過程中存在電壓、電流均不為零的時(shí)間段，期間就產(chǎn)生了開關(guān)損耗。同時(shí)，在其導(dǎo)通狀態(tài)下，由于正向?qū)▔航档拇嬖冢矔?huì)伴隨著導(dǎo)通損耗。一般可以忽略截止損耗和驅(qū)動(dòng)損耗，因此IGBT損耗PT主要包括：通態(tài)損耗PTcon、開通損耗Pon、關(guān)斷損耗Poff。

IGBT的通態(tài)功耗由其正向?qū)▔航岛蛯?dǎo)通電阻引起，其大小取決于流通過電流（受變流器輸出電流以及IGBT開關(guān)過程影響），同時(shí)受結(jié)溫的影響。

IGBT的開通和關(guān)斷功耗由IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲引起，對(duì)于給定的控制參數(shù)和被忽略寄生元素，其大小取決于開關(guān)頻率、流通過的電流、直流母線電壓（開通和關(guān)斷過程，電壓變化范圍的一端就是母線電壓），同時(shí)受結(jié)溫的影響。

續(xù)流二極管損耗主要包括：反向恢復(fù)損耗、通態(tài)損耗。由于開通時(shí)間不長(zhǎng)，考通損耗可以不作考慮。截止損耗由于其非常小的截止電流，也可以不予考慮。但反向恢復(fù)損耗則不同，其反向恢復(fù)時(shí)間并不短，且電壓電流值也并不小，因此一定不能忽略。FWD的通態(tài)損耗由其正向?qū)▔航岛蛯?dǎo)通電阻引起，取決于流通過的電流（受變流器輸出電流以及IGBT開關(guān)過程影響），同時(shí)受結(jié)溫的影響。FWD反向恢復(fù)損耗由Diode的反向恢復(fù)過程引起，對(duì)于給定的續(xù)流二極管參數(shù)和省略了寄生元素，其大小取決于開關(guān)頻率、流通過的電流、直流母線電壓，同時(shí)受結(jié)溫的影響。

2 ?降地?fù)p耗的具體措施

根據(jù)本文第一節(jié)中關(guān)于開關(guān)器件損耗影響因素的分析，可以從PWM調(diào)制方式、變流器電路結(jié)構(gòu)、開關(guān)控制方式以及開關(guān)器件選型等方面對(duì)裝置中的電力電子變換器進(jìn)行損耗優(yōu)化。

2.1 ?PWM調(diào)制方式

換流器損耗與開關(guān)頻率和調(diào)制策略有很大的關(guān)系，開關(guān)頻率和調(diào)制策略不同，對(duì)換流器損耗的影響也不同。相比正弦脈寬調(diào)制SPWM， 空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM可以通過適當(dāng)?shù)胤峙淞闶噶?，在同樣采樣周期的基礎(chǔ)上，每相每周期最多可有 120 °的扇區(qū)不開關(guān)，從而最多可將開關(guān)總次數(shù)減少1/3，如果在負(fù)載電流較大的區(qū)域不開關(guān)器件，將大大減小器件的開關(guān)損耗。相同輸出諧波水平下，空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 的開關(guān)頻率較SPWM平均降低約1/3，將降低50%的換流器開關(guān)損耗。

2.2 ?變流器電路結(jié)構(gòu)

多電平變換器具有輸出波形諧波成分小、開關(guān)頻率低以及損耗小的優(yōu)點(diǎn)，可以用于提高裝置效率。三電平變流器有不同的拓樸結(jié)構(gòu)，如二極管箱位（NPC）三電平變流器、飛跨電容式三電平變流器、全橋級(jí)聯(lián)三電平變流器及一些改進(jìn)型三電平拓?fù)洹?/p>

2.3 ?選擇低損耗的開關(guān)元件和二極管等元器件

開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通電阻是產(chǎn)生損耗的根本原因，因此選擇合理的器件對(duì)于降低裝置損耗也有重要意義。選擇IGBT以及二極管時(shí)，在滿足成本要求的前提下，優(yōu)先選擇正向?qū)▔航岛蛯?dǎo)通電阻較小、開關(guān)損耗較小和工作結(jié)溫大的元件。

另外，隨著SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)的發(fā)展，未來SiC器件也可能在降低損耗方面發(fā)揮重要作用。

3 ?短路時(shí)裝置的保護(hù)策略

3.1 ?微網(wǎng)電能治理裝置中IGBT的短路

隨著IGBT在微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置以及在電氣各個(gè)領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用環(huán)境也越來越不好，過電流現(xiàn)象以及短路現(xiàn)象不時(shí)地出現(xiàn)。但是對(duì)于電能質(zhì)量治理裝置來說，不管從可靠性還是安全性方面考慮，這種功率半導(dǎo)體開關(guān)器件由于負(fù)載短路而燒壞的情況都是絕對(duì)不允許出現(xiàn)的。

當(dāng)微網(wǎng)電能治理裝置發(fā)生短路故障時(shí)，首先考慮IGBT處于何種工作狀態(tài)。如果IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生短路情況，由于電感在直流回路中特別小，因此其短路電流將會(huì)特別大，這在IGBT的使用中是一定不能出現(xiàn)的情況。實(shí)際運(yùn)行過程中，IGBT在短路狀態(tài)下通常要通過一定的技術(shù)措施來限制流通過它的短路電流。

電能治理裝置中IGBT的短路電流和功耗是由短路回路中的總電感量決定的。當(dāng)回路中電感量數(shù)值較大時(shí)，IGBT關(guān)斷過程中的di/dt比較小，則IGBT的飽和狀態(tài)將會(huì)被延緩。為了保護(hù)IGBT 器件免受該過電壓的沖擊，需要將該電壓尖峰控制在 IGBT額定反向截止電壓之下。

在電感量數(shù)值較小的情況下，IGBT關(guān)斷過程中的電流變化率di/dt就會(huì)比較大。因此，IGBT將會(huì)迅速進(jìn)入退飽和階段，并伴隨著結(jié)溫快速上升現(xiàn)象。

3.2 ?短路保護(hù)的主要措施

基于以上分析，微網(wǎng)電能治理裝置中IGBT的短路保護(hù)策略應(yīng)綜合考慮器件可能受到的各種短路電流沖擊，具體安全措施包括以下幾個(gè)方面。

3.2.1 ?降低回路中的短路電流值

在系統(tǒng)短路情況下，IGBT的端電壓Uce將會(huì)逐漸上升到直流母線的額定電壓等級(jí)。短路過程持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗就會(huì)越大。如果散熱系統(tǒng)不能及時(shí)將這部分損耗導(dǎo)致的熱量傳遞出去，IGBT結(jié)溫將會(huì)劇烈升高，達(dá)到一定程度則會(huì)使IGBT發(fā)生永久性損壞。

因此，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，必須將回路中的短路電流進(jìn)行限制，避免出現(xiàn)上述危險(xiǎn)情況的發(fā)生。另外，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到短路故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)該快速控制驅(qū)動(dòng)電路撤銷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將短路電流對(duì)IGBT和濾波電容等元器件的沖擊程度降到最低，保障裝置內(nèi)內(nèi)開關(guān)器件的安全。

3.2.2 ?關(guān)斷速度的設(shè)計(jì)

一般來說，在關(guān)斷過程中，大功率IGBT在通常情況下的電流變化速率是特別大的，典型值為1000 A/ us。假設(shè)電路中的寄生電感大小為200 nH， 則正確關(guān)斷過程中一般會(huì)產(chǎn)生200 V以上的沖擊電壓。因此在設(shè)計(jì)IGBT短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮關(guān)斷過程中電流變化速率在回路寄生電感中所產(chǎn)生的沖擊電壓的限制，盡可能使IGBT的關(guān)斷過程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

因此，可以適當(dāng)降低柵極電壓，使得短路情況下的電流變化率與正常關(guān)斷時(shí)相近。

3.2.3 ?短路保護(hù)的時(shí)限設(shè)計(jì)

從IGBT 短路狀態(tài)時(shí)所承受的電壓、電流和極高功率沖擊的考慮，IGBT的短路持續(xù)時(shí)間越短越有利于保持良好狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，短路保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)決定了短路持續(xù)時(shí)間。動(dòng)作時(shí)間包括了檢測(cè)電路響應(yīng)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間、避免二極管反向恢復(fù)效應(yīng)所造成的“假短路”需要的時(shí)間以及安全裕量的考慮等。從恢復(fù)過電流/短路的檢測(cè)，到檢測(cè)與信息處理電路做出短路保護(hù)動(dòng)作同樣需要時(shí)間，其造成的時(shí)間延遲大約為1～2 us。系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路從輸入到輸出的時(shí)間延遲一般在0.2 us左右。

除此之外，仍需注意，短路保護(hù)狀態(tài)下IGBT的關(guān)斷過程為慢關(guān)斷過程。

因此，從檢測(cè)系統(tǒng)和信息處理電路做出短路保護(hù)指令起到IGBT的徹底關(guān)斷大約需要1～2 us。考慮上述所有的延遲時(shí)間后，還需保持一定的安全裕量時(shí)間以確保IGBT在短路狀態(tài)下能夠安全可靠的關(guān)斷。

4 ?結(jié) ?語

降低微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置的損耗對(duì)于節(jié)約能源、減小散熱器體積具有重要意義。微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置的主體往往是各種拓?fù)涞碾娏﹄娮幼兞髌?，因此其損耗主要是由變流器內(nèi)工作于高頻開關(guān)狀態(tài)開關(guān)器件（IGBT等）造成的。通過對(duì)裝置降損策略和短路保護(hù)方案這兩方面工程實(shí)用技術(shù)的探究，有利于推動(dòng)微網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置在電力系統(tǒng)中更好地發(fā)展。

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