基于高壓電力電子器件仿真技術(shù)研究

黃杰， 張科， 余錚， 梁懿

(1. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司， 武漢 430077； 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司信息通信公司，武漢 430077；3. 福建億榕信息技術(shù)有限公司， 福州 350003)

0 引言

信息電子和電力電子技術(shù)(應(yīng)用于電力領(lǐng)域)共同構(gòu)成了電子技術(shù)，分別主要用于信息處理及電力變換。信息電子技術(shù)包含模擬電子和數(shù)字電子技術(shù)，電力電子技術(shù)通過(guò)電力電子器件的使用能夠?qū)崿F(xiàn)變換和控制電能的效果，電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，其所變換的電力功率最小可達(dá)到數(shù)W或1W以下、最大可達(dá)到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，迅速發(fā)展的電力電子技術(shù)應(yīng)用對(duì)電力電子器件的要求日益苛刻，需要電力電子器件在電流密度、開關(guān)時(shí)間、工作溫度及電壓、散熱能力、通態(tài)壓降等方面得到進(jìn)一步優(yōu)化以有效滿足電力電子應(yīng)用需求[1]。

1 現(xiàn)狀分析

大功率電力電子裝置作為新的技術(shù)領(lǐng)域由于多以起到重要作用的輸電線路或工業(yè)負(fù)荷作為主要應(yīng)用場(chǎng)合，其所受到的重視程度越來(lái)越高，對(duì)其性能和可靠性的檢測(cè)與提升也成為研究的重點(diǎn)方向，受到客觀情況的限制難以現(xiàn)場(chǎng)全面試驗(yàn)檢測(cè)裝置，并且電力電子裝置容量通常較大大，應(yīng)用于輸電系統(tǒng)中的裝置可達(dá)到上百M(fèi)VA，在其它場(chǎng)合同樣難以全面的檢查實(shí)際裝置，因此測(cè)試實(shí)際裝置可行及可靠性不可或缺的步驟在于針對(duì)實(shí)際的控制和保護(hù)系統(tǒng)事前完成全面閉環(huán)物理測(cè)試過(guò)程，而測(cè)試硬件在線閉環(huán)的有效方法為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真，作用等同于連接到實(shí)際裝置中，使各種參數(shù)和運(yùn)行條件下的測(cè)試需求得以有效滿足。目前針對(duì)電力電子裝置國(guó)內(nèi)外在實(shí)時(shí)仿真應(yīng)用上已經(jīng)取得了一定的研究成果，但由于應(yīng)用中普遍對(duì)開關(guān)器件過(guò)于理想化只對(duì)電磁暫態(tài)過(guò)程或開關(guān)器件進(jìn)行仿真，缺乏對(duì)裝置反映的全面性，對(duì)大功率電力電子裝置復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程及各過(guò)程相互間緊密的關(guān)聯(lián)性考慮不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面分析和測(cè)試裝置特性的目的。本文主要研究了實(shí)現(xiàn)電力電子裝置混合實(shí)時(shí)仿真的方法，包括動(dòng)態(tài)及PWM控制、不同工況下器件工作特性、裝置溫升與散熱情況等，以實(shí)現(xiàn)全面的物理測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程[1]。

2 混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)的構(gòu)建

不同動(dòng)態(tài)過(guò)程在大功率電力電子裝置中教育較高的關(guān)聯(lián)性，裝置所處的電壓電流環(huán)境受到電磁暫態(tài)過(guò)程的直接影響，裝置的溫度在損耗功率器件的情況下由于引起熱動(dòng)態(tài)過(guò)程而升高，器件的電壓電流尖峰和損耗(由開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生)會(huì)受到自然環(huán)境的影響，裝置與外部交換的有功功率及電磁暫態(tài)過(guò)程則會(huì)受到功率損耗的影響，開關(guān)暫態(tài)過(guò)程也會(huì)受到熱動(dòng)態(tài)過(guò)程影響，因此全面詳細(xì)的測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程需在綜合仿真分析各動(dòng)態(tài)過(guò)程的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真方法如圖1所示[2]。

圖1 大功率電力電子裝置的交互動(dòng)態(tài)過(guò)程

以電壓源變流器裝置為例，針對(duì)其動(dòng)態(tài)行為對(duì)其進(jìn)行描述的動(dòng)態(tài)過(guò)程如下。

(1)裝置級(jí)的電磁暫態(tài)過(guò)程，以電網(wǎng)或負(fù)荷同變流器裝置間的動(dòng)態(tài)交互過(guò)程為主，由X表示狀態(tài)變量(取變流器輸出電流和直流電壓)，U表示輸入量(變流器的開關(guān)狀態(tài)信號(hào))，裝置級(jí)電磁暫態(tài)過(guò)程在實(shí)時(shí)仿真計(jì)算中通常取微秒級(jí)的計(jì)算步長(zhǎng)，電磁暫態(tài)方程表達(dá)式如式(1)[3]。

(1)

(2)器件級(jí)的開關(guān)暫態(tài)過(guò)程，器件開關(guān)時(shí)內(nèi)部會(huì)發(fā)生多個(gè)暫態(tài)過(guò)程(由半導(dǎo)體物理特性決定)，外部多個(gè)變量的暫態(tài)過(guò)程反映在器件電壓/流/損耗等上，為滿足應(yīng)用需求對(duì)內(nèi)部復(fù)雜的物理過(guò)程通常不做詳細(xì)考察，開關(guān)暫態(tài)過(guò)程通過(guò)外部電特性進(jìn)行描述，器件的端電壓由vT表示、電流由iT表示，器件的開關(guān)損耗取決于vT、iT的乘積，vT、iT的動(dòng)態(tài)行為取決于由F表示的動(dòng)態(tài)方程(通常具有分段線性或較強(qiáng)的非線性)，根據(jù)類別可將F的輸入變量分為2組；器件的外部工作條件如產(chǎn)生的橋臂電壓電流(開關(guān)時(shí)刻)由Γ表示，內(nèi)部特性及電路雜散參數(shù)由Ψ表示；器件開關(guān)過(guò)程通常較短(幾μs內(nèi))，因此其仿真步長(zhǎng)需達(dá)到ns級(jí)，通常具體描述如式(2)[4]。

[vT,iT]=F(Γ,Ψ)

(2)

(3)熱動(dòng)態(tài)過(guò)程，器件功率損耗以通態(tài)和開關(guān)損耗為主，較高的溫度(由損耗引起)會(huì)導(dǎo)致功率器件熱損壞，大功率電力電子裝置需充分考慮熱特性分析和散熱設(shè)計(jì)，熱動(dòng)態(tài)過(guò)程是熱量(產(chǎn)生于半導(dǎo)體結(jié)上)經(jīng)過(guò)包括由結(jié)到外殼到散熱器到環(huán)境在內(nèi)的熱阻及散熱器熱阻的熱傳遞過(guò)程，通?？梢砸粋€(gè)RC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述，功率損耗(由P表示)和溫度(由T表示)分別為RC網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出，熱動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)較小(ms或s)，線性狀態(tài)方程如下。

dT/dt=MT+NP

對(duì)上述 3個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程(模型、時(shí)步不同)相互間完成實(shí)時(shí)交互與混合計(jì)算、單獨(dú)進(jìn)行仿真計(jì)算，開關(guān)暫態(tài)以電磁暫態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算輸入，電磁暫態(tài)則以開關(guān)暫態(tài)的計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算的輸入，熱動(dòng)態(tài)過(guò)程以開關(guān)暫態(tài)的損耗計(jì)算結(jié)果作為輸入，開關(guān)暫態(tài)以熱動(dòng)態(tài)過(guò)程的溫度計(jì)算結(jié)果作為其中一項(xiàng)計(jì)算輸入[5]。

3 仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1 器件級(jí)實(shí)時(shí)化功能模型

混合仿真的核心在于器件級(jí)模型，本文對(duì)器件級(jí)實(shí)時(shí)化功能模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以集成門極換向晶閘管(IGCT)為例進(jìn)行闡述，基于電壓電流的近似解析解(指開關(guān)過(guò)程中)建立功能模型，IGCT關(guān)斷過(guò)程具體如圖2所示。

圖2 IGCT關(guān)斷過(guò)程示意圖

可分為延遲、下降、拖尾三個(gè)不同的階段，分段獲取不同階段的近似解析解，具體以關(guān)斷過(guò)程中的電壓曲線為例，器件的橋臂直流電壓由Ed表示，橋臂的輸出電流由Io表示，V1、V2、V3、k0、λ、ΔE、thar、kc、kn、h1、h2、h3等參數(shù)具體取決于器件內(nèi)部物理特性和外部雜散電路，分段描述方程如式(3)[6]。

(3)

要求仿真細(xì)度達(dá)到ns級(jí)的器件級(jí)開關(guān)暫態(tài)過(guò)程需在模型的設(shè)計(jì)上對(duì)實(shí)時(shí)化的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行充分考慮， 由于式(3)包含指數(shù)函數(shù)與正余弦函數(shù)的乘積增加了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的難度，據(jù)此本文提出了IGCT實(shí)時(shí)功能模型，該模型基于分段插值擬合，圖2中4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)根據(jù)(3)可求得，確定1、2、3、4分別為端點(diǎn)、極大值點(diǎn)、不可導(dǎo)點(diǎn)、極大值點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上可通過(guò)低次函數(shù)的應(yīng)用(形如f(t)=at+b,f(t)=at2+bt+c)完成對(duì)其插值過(guò)程[7]。

(1)用經(jīng)過(guò)點(diǎn) 1、2、3的二次函數(shù)插值如式(4)。

vT(t)=a1t2+b1t+c1,t∈[0,tn]

(4)

(2)用經(jīng)過(guò)點(diǎn)3、4的二次函數(shù)(且在點(diǎn)4導(dǎo)數(shù)為零)插值式(5)。

vT(t)=a2(t-tn)2+b2(t-tn)+c2t∈[tn,th]

(5)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的式(5)已經(jīng)能夠滿足實(shí)時(shí)計(jì)算需求，其它開關(guān)過(guò)程中的變量處理過(guò)程類似。

3.2 實(shí)時(shí)化器件功能模型的實(shí)現(xiàn)

為滿足幾十ns秒級(jí)的仿真計(jì)算需求，本文選用了 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)，F(xiàn)PGA的運(yùn)算過(guò)程基于硬件電路實(shí)現(xiàn)，計(jì)算任務(wù)可以并行處理顯著提高了計(jì)算速度，使實(shí)時(shí)化的開關(guān)暫態(tài)過(guò)程仿真計(jì)算得以有效實(shí)現(xiàn)，對(duì)上述插值模型采用 FPGA實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算過(guò)程(具體通過(guò)構(gòu)造并行的乘法器和加法器)。

3.3 混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)結(jié)合運(yùn)用基于TM320VC33的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和基于 XC2S200的FPGA(仿真步長(zhǎng)可達(dá)到40 ns)實(shí)現(xiàn)，控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)由平臺(tái)通過(guò)脈沖接口完成接收，電磁和開關(guān)暫態(tài)過(guò)程采用DSP仿真板完成具體計(jì)算過(guò)程，再通過(guò)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換各狀態(tài)量計(jì)算結(jié)果后發(fā)送至實(shí)際控制器(通過(guò)模擬量接口)，完成同控制器(等同于連接到實(shí)際的裝置上)的實(shí)時(shí)交互過(guò)程；通過(guò) FPGA板完成開關(guān)暫態(tài)過(guò)程的計(jì)算，一塊FPGA可實(shí)時(shí)計(jì)算2個(gè)IGCT橋臂，計(jì)算結(jié)果同DS仿真板交互，此外還可將將電壓、電流信號(hào)通過(guò)一塊高速D/A板完成到模擬量輸出的轉(zhuǎn)換[8]，如圖3所示。

圖3 混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)框圖

4 應(yīng)用實(shí)例分析

本文對(duì)混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的應(yīng)用及效果以靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM，其基本單元為單相橋逆變器，±50 Mvar)實(shí)際工程為例進(jìn)行闡述，器件選用了IGCT(ABB公司，型號(hào)為5SHY35L4510，4.5 kV/4 kA)，選用5SDF10L4502作為反并聯(lián)二極管，實(shí)時(shí)仿真在開通及關(guān)斷過(guò)程的結(jié)果對(duì)比曲線如圖4所示。

(a) 關(guān)斷過(guò)程

(b) 開通過(guò)程

可知二者具備極高的擬合度，證明了開關(guān)暫態(tài)模型仿真計(jì)算的正確性。同電磁暫態(tài)仿真過(guò)程交互時(shí)計(jì)算獲取的T1(橋臂上管)、T2(橋臂下管)管電流波形(通過(guò)開關(guān)暫態(tài)過(guò)程)及IGCT橋臂及其仿真模型如圖5所示，(HT1～HT6代表水冷散熱片)。

(a) 開關(guān)暫態(tài)仿真電流波形 (b) 橋臂壓裝結(jié)構(gòu)圖

分別由高速D/A板及示波器完成波形的獲取和顯示，拉開時(shí)間軸即可獲取開關(guān)波形(圖4所示)，由此可知在開關(guān)模式下流經(jīng)導(dǎo)通電流的時(shí)間T1小于T2，導(dǎo)致了不同的損耗和溫升。橋臂各部件平均損耗計(jì)算結(jié)果如表1所示(在發(fā)50 Mvar無(wú)功時(shí))，如表1所示。

表1 橋臂各部件的損耗(kW)

下管和二極管的通態(tài)損耗明顯高于上管，位于T2和D2間的HT5散熱片(溫升較高)的散熱壓力較大，對(duì)器件的安全運(yùn)行產(chǎn)生了威脅，同實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此在實(shí)際裝置中對(duì)此問題可通過(guò) PWM和冷卻水流量的調(diào)整解決[9]。

5 總結(jié)

由于電力電子裝置的動(dòng)態(tài)過(guò)程較為復(fù)雜，只對(duì)某個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真難以全面檢測(cè)器件裝置的性能，因此本文將器件裝置的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行劃分，包括熱動(dòng)態(tài)過(guò)程、電磁及開關(guān)暫態(tài)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上可以對(duì)其進(jìn)行交互的混合實(shí)時(shí)仿真，實(shí)時(shí)計(jì)算通過(guò)采用IGCT功能模型(基于分段插值擬合)及 FPGA實(shí)現(xiàn)，同時(shí)完成了混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)的構(gòu)建，并采用采用 DSP和 FPGA實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能，仿真應(yīng)用實(shí)例結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的混合實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)可使裝置的整體性能得以準(zhǔn)確全面的反映。