基于單管IGBT的SVG功率單元系統(tǒng)

董召陣

（上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 201111）

0 引言

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（Static Var Generator）是使用電力電子半導(dǎo)體器件IGBT實(shí)現(xiàn)換流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)的,是一種兼顧補(bǔ)償成本與補(bǔ)償效果的采用有源電力電子技術(shù)的裝置。國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)企業(yè)作出了規(guī)定，在35～110kV系統(tǒng)上功率因數(shù)不小于0.95,10kV系統(tǒng)功率因數(shù)不小于0.9。安裝在電網(wǎng)中的SVG裝置[1]，對(duì)檢測(cè)到的系統(tǒng)中所含的無(wú)功功率補(bǔ)償反相位、等大小的無(wú)功功率，使電網(wǎng)中的無(wú)功功率流動(dòng)減少了，可以降低變壓器和輸電線路因輸送無(wú)功功率而造成的電能損耗，有效提高了電網(wǎng)的功率因數(shù)、減少線損、改善電能質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。

1 功率單元系統(tǒng)介紹

單管IGBT的功率單元，其I型三電平結(jié)構(gòu)可以由單管獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，也可以由多個(gè)單管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，基于SVG裝置輸出功率等級(jí)的要求，適當(dāng)配置I型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的單管數(shù)量。功率單元也有三個(gè)單項(xiàng)H橋型組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于SVG裝置，基于裝置輸出功率等級(jí)的要求，適當(dāng)配置H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)位置的單管數(shù)量。SVG裝置實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償無(wú)功功率、諧波電流，可以迅速動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)中電流進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)了電容階梯補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，同時(shí)又降低了補(bǔ)償成本。由于其數(shù)字化特性，這些功能的使用，傳統(tǒng)上用戶(hù)可能需要購(gòu)買(mǎi)幾個(gè)設(shè)備來(lái)達(dá)到電能質(zhì)量治理的目的，而該裝置通過(guò)組合使用，在容量范圍內(nèi)，可以同時(shí)解決用戶(hù)的需求，提高了利用率，節(jié)約了成本。

1.1 功率單元組成

功率單元主要由IGBT器件、電解電容濾波器件、PCB電路板、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、固定鈑金和散熱器等組成，其他組件有陶瓷絕緣片、均壓電阻等。

參照I型三電平IGBT模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，單管IGBT功率模組每相的功率器件共有6個(gè)，4個(gè)單管IGBT以及2個(gè)鉗位二極管，圖 1為其電路結(jié)構(gòu)。單項(xiàng)H橋型單管IGBT功率模組每相的功率器件共有4個(gè)單管IGBT，圖 2為其電路結(jié)構(gòu)。

圖1 I 型IGBT 模塊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 H 橋型單管IGBT 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 功率器件散熱

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和BJT（Bipolar Junction Transistor，雙極結(jié)型晶體管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電力電子裝置、變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。單管IGBT的優(yōu)勢(shì)主要是成本較低且在布局上具有一定的靈活性，根據(jù)產(chǎn)品的特性設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)布局，從而滿(mǎn)足各種場(chǎng)合設(shè)備的應(yīng)用。

SVG裝置的設(shè)計(jì)要求是小體積、輕質(zhì)量、少線束、安裝便捷、結(jié)構(gòu)緊湊和提高功率密度等。功率器件散熱設(shè)計(jì)是需要考慮的重點(diǎn)[3]。主要措施包括：

功率單元一般使用層疊結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理的布局優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)，采用風(fēng)冷降溫。

散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：IGBT單管平放背貼固定在散熱器上；IGBT單管豎插件背貼固定在散熱器上。散熱器的結(jié)構(gòu)、尺寸大小、固定方式和風(fēng)冷散熱等因數(shù)需要綜合考慮。

絕緣散熱選擇陶瓷絕緣片：導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)28.9W/(m-K)，在功率器件散熱要求非常苛刻的條件下得到了廣泛的應(yīng)用。陶瓷絕緣片有較好的特性：耐磨損、抗腐蝕、擊穿電壓強(qiáng)度（15kV/mm）和允許在溫度高達(dá)1600℃下使用等。

導(dǎo)熱膠：有助于功率器件、陶瓷絕緣片和散熱器之間的貼合。

螺釘固定：IGBT單管用螺釘緊固，電動(dòng)工具預(yù)設(shè)扭力值為：6.5±1kg.cm，電動(dòng)工具的扭力大小測(cè)定需要借助扭力測(cè)試儀。

單管IGBT功率回路電路設(shè)計(jì)：換流回路電路設(shè)計(jì)盡可能短，在環(huán)境最高溫時(shí)可以長(zhǎng)期滿(mǎn)載電流工作，PCB板銅皮有合適的載流能力。

單管IGBT和鉗位二極管：PCB板上器件的焊接孔周邊加一些小過(guò)孔，增強(qiáng)電流載流能力，增強(qiáng)散熱能力。

1.3 功率器件應(yīng)力評(píng)估

在雙脈沖測(cè)試平臺(tái)上，按照雙脈沖測(cè)試規(guī)范，測(cè)試SVG功率單元的IGBT管的電壓應(yīng)力[4]，記錄測(cè)試波形和測(cè)試數(shù)據(jù)。

在圖1中，I型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中T2和T3管是在長(zhǎng)換流回路電路中，電壓尖峰值一般較高，能反應(yīng)測(cè)試極大值。對(duì)于額定電壓650V的IGBT單管，要留有較大的電壓裕量。

圖3 T2 管測(cè)試波形

表1 T2 管測(cè)試數(shù)據(jù)

4 - Ic MAX：雙脈沖測(cè)試波形讀取電流實(shí)測(cè)值

2 控制策略

三相不平衡混合補(bǔ)償治理裝置主要組成包括檢測(cè)部分和電流環(huán)輸出部分。檢測(cè)部分Identifier模塊負(fù)責(zé)無(wú)功諧波及不平衡的檢測(cè)，其中無(wú)功和不平衡檢測(cè)使用Fir濾波器實(shí)現(xiàn)，諧波檢測(cè)可以使用智能FFT算法。電流環(huán)部分采用Kp作為電流內(nèi)環(huán)，提高電流環(huán)的響應(yīng)速度，adaline作為電流外環(huán)，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，雙環(huán)控制策略減小了輸出穩(wěn)態(tài)誤差[5]。系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示：在圖4中,iLOAD為負(fù)載電流，iREF為經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊后輸出的參考電流，iF為系統(tǒng)的反饋電流，G(z)為離散化的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)輸出響應(yīng)，為L(zhǎng)CL的開(kāi)環(huán)響應(yīng)。Kp為提高開(kāi)環(huán)增益輸出，adaline為電流外環(huán)，提供無(wú)靜差跟蹤，d(z)為擾動(dòng)。假設(shè)iREF為100A的無(wú)功電流參考值，當(dāng)前反饋電流為零，則誤差值為100，輸入到電流內(nèi)環(huán)提供瞬時(shí)響應(yīng)，設(shè)t1時(shí)刻，反饋電流為80A，由于Kp提供的帶寬有限，則存在20A的誤差，此時(shí)adaline對(duì)誤差進(jìn)行積分，其輸出到電流內(nèi)環(huán)，提高電流內(nèi)環(huán)對(duì)靜態(tài)誤差的跟蹤能力，直到輸出達(dá)到目標(biāo)值。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

3 LCL濾波器的設(shè)計(jì)

三相不平衡混合補(bǔ)償治理裝置采用SPWM調(diào)制的逆變輸出方式，設(shè)定功率器件在較高的開(kāi)關(guān)頻率下工作，其逆變輸出電壓中含有豐富的高次諧波，這些高次諧波主要位于開(kāi)關(guān)頻率附近及開(kāi)關(guān)頻率的倍數(shù)。為了防止逆變器橋臂的直通，橋臂互補(bǔ)對(duì)管的開(kāi)通和關(guān)斷設(shè)置了死區(qū)，這對(duì)輸出電壓的波形產(chǎn)生不利的影響，輸出電壓波形穩(wěn)態(tài)偏離工頻理想正弦波形帶來(lái)了更多的諧波。裝置內(nèi)產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成二次污染,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器來(lái)濾除開(kāi)關(guān)頻率處諧波，同時(shí)考慮到增強(qiáng)型無(wú)功補(bǔ)償裝置有高次波輸出，所以LCL濾波器設(shè)計(jì)要能保證輸出的高次波通過(guò)但是開(kāi)關(guān)頻率處的高次諧波得到抑制。

經(jīng)以上分析和注意事項(xiàng)，單管IGBT地SVG裝置經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果。系統(tǒng)補(bǔ)償效果圖如圖5所示：

圖5 補(bǔ)償效果圖

SVG裝置經(jīng)過(guò)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果的同時(shí)，達(dá)到降低成本的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，單管IGBT地SVG裝置可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果并達(dá)到優(yōu)化降低成本的要求。SVG裝置要穩(wěn)定、可靠、有效工作，要適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工作狀況要求和應(yīng)用指標(biāo)要求。SVG裝置的設(shè)計(jì)要求，一方面是小體積、輕質(zhì)量、少線束、安裝便捷、結(jié)構(gòu)緊湊和提高功率密度等；另一方面是在設(shè)定高溫環(huán)境下可長(zhǎng)期穩(wěn)定滿(mǎn)載工作、過(guò)溫過(guò)流過(guò)壓等異常狀態(tài)保護(hù)、待機(jī)功耗低和性?xún)r(jià)比高等設(shè)計(jì)要求。基于單管IGBT功率單元的組成、散熱、功能分析和成本較低且在布局上靈活的特點(diǎn)，SVG裝置功率單元單管化、輸出功率等級(jí)產(chǎn)品系列化是符合發(fā)展趨勢(shì)的。