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(jī)電氣技術(shù)有限公司 上海 200070

1 課題背景

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

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

(2) 諧波使電氣設(shè)備產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲與過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，影響各種電氣設(shè)備的正常工作，大大增加了維護(hù)費(fèi)用，造成大量的重復(fù)投資。

(3) 諧波問題導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置無法正常投運(yùn)，從而使功率因數(shù)降低，增加企業(yè)運(yùn)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(yīng)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(jì)算中心等市政工程都對APF有應(yīng)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(yīng)快，能夠做到對變化的諧波電流動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，也可抑制閃變和補(bǔ)償無功，補(bǔ)償方式靈活。國內(nèi)專家學(xué)者對APF的算法和控制策略已進(jìn)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(shè)計(jì)成本低、裝置體積小、運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)。這一APF嘗試采用電路板和銅螺柱相結(jié)合的方法取代功率電纜，使裝置模塊化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

筆者采用的中點(diǎn)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(diào)制(PWM)逆變器結(jié)構(gòu)，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(shù)由2個(gè)增加到3個(gè)，電平幅值由整個(gè)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(yīng)降低。在相同的開關(guān)頻率下，采用三電平結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

3.1 模塊化三電平APF樣機(jī)

模塊化設(shè)計(jì)基于產(chǎn)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(chǎn)和維護(hù)。圖2為一臺60A、380V模塊化三電平APF樣機(jī)，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3點(diǎn)。

圖2 模塊化三電平APF樣機(jī)

(1) 一體化設(shè)計(jì)，硬件、電氣、結(jié)構(gòu)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(nèi)部接線簡潔，只有兩組扁平電纜和一組連接線。驅(qū)動(dòng)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(cuò)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(chǎn)品尺寸大幅縮減。回路中的電力電容、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(jī)中除控制板、驅(qū)動(dòng)板之外的三種板卡，按功能分為電抗板、直流板、交流板，其設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

直流板是功率板卡中較為復(fù)雜的一種板卡，設(shè)計(jì)時(shí)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(fēng)機(jī)電源轉(zhuǎn)接及IGBT驅(qū)動(dòng)板等強(qiáng)弱電綜合布局，布板難度較大，存在較大的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

驅(qū)動(dòng)脈沖信號經(jīng)過一次電到達(dá)各驅(qū)動(dòng)板受到干擾程度的大小沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可參考，如果干擾影響到驅(qū)動(dòng)信號，將會(huì)使設(shè)備無法正常運(yùn)行。板卡設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮驅(qū)動(dòng)信號的布局，通過對驅(qū)動(dòng)信號線、電源、地網(wǎng)絡(luò)的處理，使一次電對驅(qū)動(dòng)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(yán)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(jīng)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(nèi)完成。板卡設(shè)計(jì)時(shí)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(nèi)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(nèi)層的熱量導(dǎo)出；最后印制電路板制板時(shí)采用添加銅厚的方式降低電流密度。圖3為直流板實(shí)物圖。

圖3 直流板實(shí)物圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 驅(qū)動(dòng)信號及保護(hù)測試波形

樣機(jī)采用英飛凌F3L150R07W2E3_B11/650V三電平IGBT模塊，下面給出試驗(yàn)結(jié)果。

測試時(shí)以B相為例，在測試模式下，4只IGBT的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。

圖4 B相IGBT驅(qū)動(dòng)信號波形

由圖4可以看出，IGBT導(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)電平為+15V，關(guān)斷時(shí)為-8V。驅(qū)動(dòng)波形的電平邏輯完全符合設(shè)計(jì)要求。圖5為B相IGBT故障時(shí)輸出的信號波形，低電平有效，1.2s后自動(dòng)復(fù)位，符合設(shè)計(jì)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(guān)斷過電壓試驗(yàn)結(jié)果

關(guān)斷過電壓測試換流器在關(guān)斷過電流時(shí)各功率半導(dǎo)體器件(包括IGBT、續(xù)流二極管和鉗位二極管)上產(chǎn)生的電壓尖峰，通過關(guān)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。基于中點(diǎn)鉗位三電平APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，內(nèi)管IGBT和續(xù)流二極管的關(guān)斷過電壓高于外管，限于篇幅，僅給出B相T3_B管及對應(yīng)的續(xù)流二極管D3_B和鉗位二極管D6_B關(guān)斷過電壓波形。

圖6中藍(lán)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(guān)斷過電壓為 576V，在選用的IGBT使用范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了裝置主回路參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 關(guān)斷過電壓測試波形

4.3 溫升試驗(yàn)結(jié)果

溫升是電力電子裝置設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題，會(huì)直接影響裝置運(yùn)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(guān)鍵區(qū)域的溫升直接影響電路板的運(yùn)行環(huán)境。用熱成像儀對這些區(qū)域進(jìn)行實(shí)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(jié)果

4.4 APF全響應(yīng)時(shí)間

分別采用無功開環(huán)和無功閉環(huán)對APF的全響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試，無功開環(huán)采用瞬時(shí)無功功率算法，無功閉環(huán)采用快速傅里葉算法。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，無功開環(huán)響應(yīng)時(shí)間為6.35ms，無功閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間為43.95ms，無功閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償效果更好。

5 結(jié)論

(1) 提出了基于模塊化設(shè)計(jì)的三電平APF，并成功研制了一臺60A、380V模塊化三電平APF，已進(jìn)入產(chǎn)品生產(chǎn)實(shí)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(chǎn)品體積，降低產(chǎn)品成本；產(chǎn)品可靠性高，補(bǔ)償效果好，響應(yīng)時(shí)間極快；產(chǎn)品工業(yè)化程度高，便于維護(hù)和廣泛推廣，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益可觀。

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