基于SiC功率器件的接地電流全補償系統(tǒng)的補償性能影響因素分析

賈晨曦 仇新宇 陳玉麟

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對接地故障電流的處理已經(jīng)由使用傳統(tǒng)的消弧線圈發(fā)展為使用能對接地殘流進(jìn)行全補償?shù)慕拥仉娏魅a償系統(tǒng)[1-2]。近年來，微電網(wǎng)技術(shù)及清潔能源應(yīng)用廣泛[3]。對于多類型非線性負(fù)荷及電纜線路，或小范圍分布式發(fā)電系統(tǒng)，接地殘流的補償顯得更為重要[4]。現(xiàn)代電網(wǎng)的保護(hù)功能要求與控制功能相結(jié)合，控制策略要求最優(yōu)化，信息采集要求廣域化，保護(hù)控制功能要求集成化，接地電流全補償系統(tǒng)若仍采用常規(guī)的功率器件則無法滿足上述要求。此外，現(xiàn)代電網(wǎng)對過流、過壓、過溫等保護(hù)裝置的要求也在不斷提高。因此，為保證電網(wǎng)運行的安全和可靠，迫切需要尋求更適合在高壓、高頻、高功率密度和低損耗條件下應(yīng)用的功率器件。

SiC功率器件可應(yīng)用于中壓電網(wǎng)，不必采用復(fù)雜的電路拓?fù)渚湍軌蚪鉀Q電力電子裝置器件性能制約的問題[5-6]?？紤]到SiC功率器件對接地電流全補償系統(tǒng)的影響，對接地殘流的檢測和主從結(jié)構(gòu)的耦合控制的研究不應(yīng)停留在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與算法上，而應(yīng)該從現(xiàn)代電網(wǎng)環(huán)境和新型功率器件特性的角度去分析。

本文結(jié)合煤礦電網(wǎng)的實際檢測，從電壓尖峰、開關(guān)振蕩、串?dāng)_、諧波分析、器件封裝及PCB布局優(yōu)化等方面，對基于SiC功率器件的接地電流全補償系統(tǒng)補償性能的影響因素進(jìn)行了分析。

1 接地電流全補償系統(tǒng)存在的問題與SiC器件應(yīng)用的必要性

接地電流全補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是傳統(tǒng)消弧線圈與殘流補償模塊的并聯(lián)。消弧線圈可以為系統(tǒng)提供能中和接地電容電流的電感電流。殘流補償模塊由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，檢測、生成并向系統(tǒng)輸送補償電流，即反向接地殘流。

從目前已有的成果可知，對于接地電流全補償系統(tǒng)研究的問題主要存在于以下幾方面：

（1）從電網(wǎng)發(fā)展的長遠(yuǎn)角度考慮，幾乎所有中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)都需要對消弧線圈進(jìn)行替換或擴充容量改造，或者增設(shè)接地。這帶來了用電可靠性問題，也受經(jīng)濟成本制約，已成為一個需要妥善解決的突出問題。

（2）接地殘流中高次諧波分量不容忽視。根據(jù)殘流特征，殘流補償模塊需要求電力電子器件工作在高頻狀態(tài)下，SiC功率器件已不能滿足其要求。

（3）由于傳統(tǒng)消弧線圈與殘流補償模塊兩個子系統(tǒng)的補償目標(biāo)與控制方法相互獨立并且各具一定的針對性，需要重點考慮其同步、自動協(xié)調(diào)控制及驅(qū)動問題。同時，為了實現(xiàn)系統(tǒng)子模塊間較高的同步控制精度，對其間功率與控制交互的均衡進(jìn)行優(yōu)化，需要在主從式控制方法上尋求突破。

基于SiC功率器件的接地殘流補償模塊如圖1所示。SiC器件更高的功率密度意味著可以實現(xiàn)設(shè)備的輕量化和緊湊化，降低系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本，達(dá)到能方便地替換和擴充容量改造的目的。另一方面，使用SiC器件可以提升開關(guān)頻率，大大提高系統(tǒng)的整體效率，減少溫度循環(huán)，提高設(shè)備工作可靠性和壽命。SiC器件的臨界場強高意味著其具備更高的耐壓性能。發(fā)生單相接地故障的瞬間，接地故障點的電流很大，熱效應(yīng)和動力效應(yīng)的破壞性也很大，電容電流的全補償會存在電壓過高的風(fēng)險，SiC器件的使用可以一定程度上緩解這種壓力。

圖1 基于SiC功率器件的接地殘流補償模塊

2 接地電流全補償系統(tǒng)補償性能影響因素分析

SiCMOSFET的諸多特性為其在接地電流全補償系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了問題，對關(guān)鍵影響因素的分析如下。

2.1 電壓尖峰、開關(guān)振蕩及串?dāng)_

高次諧波分量使SiC器件開關(guān)速度非常快，由于SiC器件電容較小，因此在開關(guān)過程中會出現(xiàn)比較高的電流和電壓變化率。SiC器件對主電路的寄生參數(shù)非常敏感，器件兩端將會出現(xiàn)強烈的電壓和電流過沖，開關(guān)振蕩也非常嚴(yán)重。寄生參數(shù)主要對殘流補償模塊的驅(qū)動回路、功率回路和換流回路產(chǎn)生影響，所以需要尋求低寄生電感的SiC器件封裝以及母線和電容設(shè)計方案。同時，互補導(dǎo)通器件的米勒電容會造成耦合干擾，加劇開通瞬態(tài)同一橋臂上下器件的串?dāng)_效應(yīng)，采用柵極負(fù)偏壓的方法只能在一定程度上起到緩解作用。合理的柵極控制回路可以使電壓尖峰、開關(guān)振蕩及串?dāng)_的調(diào)節(jié)更為理想，使RG、CG和VG三個控制量在開關(guān)過程中動態(tài)的變化始終維持在協(xié)同配合的最優(yōu)值。

2.2 諧波分析

接地故障發(fā)生后，接地電流中含有諧波分量，且以某些特定高頻諧波較為顯著。由于對地電容會造成諧波幅值增加，諧波電壓的頻率決定了在接地點處的諧波電流幅值。接地電流中特定高次諧波電流分量是電網(wǎng)母線特定高次諧波電壓的畸變所造成的，而母線特定高次諧波電壓的畸變受下級負(fù)荷變化影響不大。圖2中，2#主變在測試過程中有一段時間處于檢修狀態(tài)，即6kVⅡ段母線上沒有任何負(fù)載，但此時23次特定高頻諧波電壓依然有規(guī)律地變化著。這說明23次特定高頻諧波電壓不受6kVⅡ母線上負(fù)載變化影響，其變化主要是上級供電系統(tǒng)背景諧波電壓引起的。為了更好地補償接地故障殘余電流中的諧波成分，在接地電流全補償系統(tǒng)中可以選擇特定高次諧波進(jìn)行檢測和補償。

圖2 謝橋礦6kVⅡ段母線電網(wǎng)監(jiān)測波形

分析諧波類型并準(zhǔn)確計算出諧波參數(shù)是殘流補償模塊諧波檢測環(huán)節(jié)的主要目標(biāo)。準(zhǔn)確的諧波預(yù)估可以在一定程度上改善器件開關(guān)特性、降低EMI。對穩(wěn)定負(fù)載條件下的系統(tǒng)諧波及其引起的轉(zhuǎn)矩脈動需進(jìn)行較為詳細(xì)的量化分析，由此可更為準(zhǔn)確地衡量殘流補償模塊補償固定類型的特定高次諧波時的性能指標(biāo)，并為殘流補償模塊中SiC器件的驅(qū)動設(shè)計等技術(shù)問題提供參考依據(jù)。

2.3 器件封裝及PCB布局優(yōu)化

目前，基于封裝集成的各種低雜散參數(shù)、高性能的SiC功率模塊結(jié)合了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝簡單且可靠性高、平板結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)小且散熱性能好的優(yōu)點，可在高開關(guān)頻率的應(yīng)用條件下發(fā)揮出良好的性能?；跉埩餮a償模塊的器件封裝和主電路優(yōu)化可以從圖3所示幾個方面進(jìn)行。

圖3 基于殘流補償模塊的器件封裝和主電路優(yōu)化

主電路布局優(yōu)化的目的是減小共源電感的大小，可以從以下幾個方面著手：（1）增加特性較好的高頻吸收電容，抑制直流側(cè)電容和橋臂的導(dǎo)線上的寄生電感對換流過程中開關(guān)損耗的影響；（2）從結(jié)構(gòu)上保證橋臂平衡；（3）減小回路布局面積，減小寄生電感。

3 結(jié)語

由于電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的要求越來越高，SiC寬帶功率器件耐高壓、開關(guān)頻率高、損耗小、動態(tài)性能優(yōu)良等優(yōu)勢越發(fā)明顯，已成為接地電流全補償系統(tǒng)的必然選擇。本文對電壓尖峰、開關(guān)振蕩、串?dāng)_、諧波分析、器件封裝及PCB布局優(yōu)化等影響接地電流全補償系統(tǒng)補償性能的因素進(jìn)行了分析，而子模塊間的協(xié)同優(yōu)化控制和殘流補償模塊的自適應(yīng)柵極驅(qū)動則需要進(jìn)一步關(guān)注與研究。