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)技術學院機電工程學院，江蘇徐州221116）

0 引言

隨著電力電子技術的發(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)技術及清潔能源應用廣泛[3]。對于多類型非線性負荷及電纜線路，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)的保護功能要求與控制功能相結合，控制策略要求最優(yōu)化，信息采集要求廣域化，保護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用的功率器件。

SiC功率器件可應用于中壓電網(wǎng)，不必采用復雜的電路拓撲就能夠解決電力電子裝置器件性能制約的問題[5-6]。考慮到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構的耦合控制的研究不應停留在系統(tǒng)拓撲結構與算法上，而應該從現(xiàn)代電網(wǎng)環(huán)境和新型功率器件特性的角度去分析。

本文結合煤礦電網(wǎng)的實際檢測，從電壓尖峰、開關振蕩、串擾、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器件應用的必要性

接地電流全補償系統(tǒng)結構的本質是傳統(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器件構成，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行替換或擴充容量改造，或者增設接地。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)設備的輕量化和緊湊化，降低系統(tǒng)的安裝和維護成本，達到能方便地替換和擴充容量改造的目的。另一方面，使用SiC器件可以提升開關頻率，大大提高系統(tǒng)的整體效率，減少溫度循環(huán)，提高設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，熱效應和動力效應的破壞性也很大，電容電流的全補償會存在電壓過高的風險，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)中的應用帶來了問題，對關鍵影響因素的分析如下。

2.1 電壓尖峰、開關振蕩及串擾

高次諧波分量使SiC器件開關速度非常快，由于SiC器件電容較小，因此在開關過程中會出現(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，開關振蕩也非常嚴重。寄生參數(shù)主要對殘流補償模塊的驅動回路、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計方案。同時，互補導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擾效應，采用柵極負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、開關振蕩及串擾的調(diào)節(jié)更為理想，使RG、CG和VG三個控制量在開關過程中動態(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。準確的諧波預估可以在一定程度上改善器件開關特性、降低EMI。對穩(wěn)定負載條件下的系統(tǒng)諧波及其引起的轉矩脈動需進行較為詳細的量化分析，由此可更為準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，并為殘流補償模塊中SiC器件的驅動設計等技術問題提供參考依據(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功率模塊結合了傳統(tǒng)結構工藝簡單且可靠性高、平板結構寄生參數(shù)小且散熱性能好的優(yōu)點，可在高開關頻率的應用條件下發(fā)揮出良好的性能。基于殘流補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，抑制直流側電容和橋臂的導線上的寄生電感對換流過程中開關損耗的影響；（2）從結構上保證橋臂平衡；（3）減小回路布局面積，減小寄生電感。

3 結語

由于電力電子應用領域的要求越來越高，SiC寬帶功率器件耐高壓、開關頻率高、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、開關振蕩、串擾、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柵極驅動則需要進一步關注與研究。