模塊化三電平有源濾波器的研制

李守法， 劉文博

上海電氣富士電機電氣技術有限公司 上海 200070

1 課題背景

現代電力系統(tǒng)中用電負荷結構發(fā)生了較大變化，一方面，非線性不平衡負荷等影響電能質量問題的因素不斷增加，對供電電能質量造成嚴重的干擾和污染；另一方面，大量基于計算機系統(tǒng)的控制設備和電子裝置投入使用，這些裝置對電能質量及供電可靠性的要求越來越高。電能質量問題對電網和配電系統(tǒng)造成的直接危害和對人類生產生活造成的損失也越來越大。諧波治理是電能質量的重要問題,諧波主要危害表現在以下方面[1-4]。

(1) 使公用電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，不利于節(jié)能降耗。

(2) 諧波使電氣設備產生機械振動、噪聲與過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，影響各種電氣設備的正常工作，大大增加了維護費用，造成大量的重復投資。

(3) 諧波問題導致無功補償裝置無法正常投運，從而使功率因數降低，增加企業(yè)運營成本。

(4) 傳統(tǒng)的諧波治理裝置存在自身無法克服的缺陷，且易加劇諧波影響，增加電能損耗。

有源濾波器(APF)在歐美國家已得到了廣泛應用。在我國，電氣化鐵道及城市軌道交通、電力等行業(yè)，以及辦公大樓、住宅小區(qū)、計算中心等市政工程都對APF有應用需求。

采用APF是目前治理諧波的主要手段。與無源濾波器相比，APF響應快，能夠做到對變化的諧波電流動態(tài)跟蹤補償，也可抑制閃變和補償無功，補償方式靈活。國內專家學者對APF的算法和控制策略已進行了較為深入研究[5-10]。

筆者提出的三電平模塊化APF具有設計成本低、裝置體積小、運行可靠性高等特點。這一APF嘗試采用電路板和銅螺柱相結合的方法取代功率電纜，使裝置模塊化設計成為現實，產業(yè)化前景廣闊，社會與經濟效益將十分可觀。

2 拓撲結構

筆者采用的中點鉗位型三電平APF裝置主電路如圖1所示，采用三相四線制模式，主要包括連接電抗、濾波電抗、阻容濾波回路及電子變換部分。電子變換部分為三電平脈寬調制(PWM)逆變器結構，分別用T1_B、T2_B、T3_B、T4_B、D1_B、D2_B、D3_B、D4_B、D5_B、D6_B表示B相絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和二極管的位號。與普通二電平PWM逆變器相比，三電平PWM逆變器輸出相電壓電平數由2個增加到3個，電平幅值由整個直流母線電壓降低為直流母線電壓的1/2，輸出電壓變化率dv/dt也相應降低。在相同的開關頻率下，采用三電平結構還可使輸出波形有較大改善。

圖1 三電平APF主電路

3 模塊化三電平APF設計

3.1 模塊化三電平APF樣機

模塊化設計基于產品小型化、低成本、可靠性高等需求因素。模塊的通用性好，便于生產和維護。圖2為一臺60A、380V模塊化三電平APF樣機，其特點主要表現在以下3點。

圖2 模塊化三電平APF樣機

(1) 一體化設計，硬件、電氣、結構等多方面密切配合，各方面相互完全依賴。

(2) 工業(yè)化水平高，內部接線簡潔，只有兩組扁平電纜和一組連接線。驅動板直接與直流連接板焊接在一起，省去板卡之間的大量連線，避免接線錯誤及接觸不良的問題，裝配效率高。

(3) 采用電路板完成主回路的電氣連接，取代大電流電纜，使產品尺寸大幅縮減?；芈分械碾娏﹄娙?、電流霍爾元件和繼電器焊接在高壓、大電流功率板上是新的突破。

3.2 功率板

樣機中除控制板、驅動板之外的三種板卡，按功能分為電抗板、直流板、交流板，其設計都需要滿足大電流和高電壓的要求，均稱為功率板。三種板卡之間的連接通過若干銅螺柱和一根銅排實現。

直流板是功率板卡中較為復雜的一種板卡，設計時需要考慮的問題較多。由于直流板涉及儲能電容器、IGBT模塊、泄放電阻、吸收電容、風機電源轉接及IGBT驅動板等強弱電綜合布局，布板難度較大，存在較大的設計風險。

驅動脈沖信號經過一次電到達各驅動板受到干擾程度的大小沒有現成經驗可參考，如果干擾影響到驅動信號，將會使設備無法正常運行。板卡設計時優(yōu)先考慮驅動信號的布局，通過對驅動信號線、電源、地網絡的處理，使一次電對驅動信號的影響降到最小。

板卡工作中需要通過大電流，發(fā)熱是不可避免的，而印制電路板對溫升有嚴格要求。加大覆銅面積是有效解決發(fā)熱的一種措施。由于板卡尺寸已經確定，并考慮一次電的爬電距離，加大覆銅面積只可能在有限的空間內完成。板卡設計時采用如下措施： 首先使功率電流通過板卡的頂層和底層，信號線布局在內層；其次在滿足爬電距離的前提下，盡可能增大覆銅面積；再次多采用過孔將板卡內層的熱量導出；最后印制電路板制板時采用添加銅厚的方式降低電流密度。圖3為直流板實物圖。

圖3 直流板實物圖

4 試驗結果與分析

4.1 驅動信號及保護測試波形

樣機采用英飛凌F3L150R07W2E3_B11/650V三電平IGBT模塊，下面給出試驗結果。

測試時以B相為例，在測試模式下，4只IGBT的驅動波形如圖4所示。

圖4 B相IGBT驅動信號波形

由圖4可以看出，IGBT導通時驅動電平為+15V，關斷時為-8V。驅動波形的電平邏輯完全符合設計要求。圖5為B相IGBT故障時輸出的信號波形，低電平有效，1.2s后自動復位，符合設計要求。A相、C相的波形不再給出。

圖5 IGBT故障信號波形

4.2 關斷過電壓試驗結果

關斷過電壓測試換流器在關斷過電流時各功率半導體器件(包括IGBT、續(xù)流二極管和鉗位二極管)上產生的電壓尖峰，通過關斷過電壓測試，可確定三電平IGBT的主回路和緩沖吸收電容選型是否合理?；谥悬c鉗位三電平APF拓撲結構特點，內管IGBT和續(xù)流二極管的關斷過電壓高于外管，限于篇幅，僅給出B相T3_B管及對應的續(xù)流二極管D3_B和鉗位二極管D6_B關斷過電壓波形。

圖6中藍色為電壓波形，紅色為電流波形。由圖6可以看出，3只管子的最大關斷過電壓為 576V，在選用的IGBT使用范圍之內，驗證了裝置主回路參數設計的合理性。

圖6 關斷過電壓測試波形

4.3 溫升試驗結果

溫升是電力電子裝置設計時必須考慮的問題，會直接影響裝置運行的可靠性及壽命。銅螺柱和放電電阻直接與電路板連接，這些關鍵區(qū)域的溫升直接影響電路板的運行環(huán)境。用熱成像儀對這些區(qū)域進行實測，銅螺柱表面溫度如圖7所示，環(huán)境溫度為17℃。穩(wěn)定后測得的銅螺柱最高溫度為44℃，溫升為27K；放電電阻最高溫度為50℃，溫升為33K。

圖7 銅螺柱表面溫度測試結果

4.4 APF全響應時間

分別采用無功開環(huán)和無功閉環(huán)對APF的全響應時間進行測試，無功開環(huán)采用瞬時無功功率算法，無功閉環(huán)采用快速傅里葉算法。試驗結果如圖8所示，無功開環(huán)響應時間為6.35ms，無功閉環(huán)響應時間為43.95ms，無功閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)補償效果更好。

5 結論

(1) 提出了基于模塊化設計的三電平APF，并成功研制了一臺60A、380V模塊化三電平APF，已進入產品生產實施階段。

(2) 解決了傳統(tǒng)諧波治理裝置存在的問題和不足，大大縮小了產品體積，降低產品成本；產品可靠性高，補償效果好，響應時間極快；產品工業(yè)化程度高，便于維護和廣泛推廣，產業(yè)化前景廣闊，社會與經濟效益可觀。

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