微网电能质量治理装置的工程实用技术
2022-06-09
摘 要：文章首先从开关器件的损耗分析入手，提出了一些降低装置损耗的措施，采用多电平变换器拓扑以及软开关控制技术等，并根据损耗分析结果对开关器件的选型进行指导;其次，对微网电能质量治理装置在发生电网短路时的保护问题进行了分析，并对解决方案进行探究。
关键词：开关器件;微网电能;电网短路
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0001-02
1 电力电子开关器件损耗分析
电压源变流器损耗PTotal主要由IGBT损耗PT和反并联二极管损耗PD组成。由开关过程中，IGBT和续流二极管的典型电压电流波形可知，IGBT在开通和关断过程中存在电压、电流均不为零的时间段，期间就产生了开关损耗。同时，在其导通状态下，由于正向导通压降的存在，也会伴随着导通损耗。一般可以忽略截止损耗和驱动损耗，因此IGBT损耗PT主要包括：通态损耗PTcon、开通损耗Pon、关断损耗Poff。
IGBT的通态功耗由其正向导通压降和导通电阻引起，其大小取决于流通过电流（受变流器输出电流以及IGBT开关过程影响），同时受结温的影响。
IGBT的开通和关断功耗由IGBT的导通和关断延迟引起，对于给定的控制参数和被忽略寄生元素，其大小取决于开关频率、流通过的电流、直流母线电压（开通和关断过程，电压变化范围的一端就是母线电压），同时受结温的影响。
续流二极管损耗主要包括：反向恢复损耗、通态损耗。由于开通时间不长，考通损耗可以不作考虑。截止损耗由于其非常小的截止电流，也可以不予考虑。但反向恢复损耗则不同，其反向恢复时间并不短，且电压电流值也并不小，因此一定不能忽略。FWD的通态损耗由其正向导通压降和导通电阻引起，取决于流通过的电流（受变流器输出电流以及IGBT开关过程影响），同时受结温的影响。FWD反向恢复损耗由Diode的反向恢复过程引起，对于给定的续流二极管参数和省略了寄生元素，其大小取决于开关频率、流通过的电流、直流母线电压，同时受结温的影响。
2 降地损耗的具体措施
根据本文第一节中关于开关器件损耗影响因素的分析，可以从PWM调制方式、变流器电路结构、开关控制方式以及开关器件选型等方面对装置中的电力电子变换器进行损耗优化。
2.1 PWM调制方式
换流器损耗与开关频率和调制策略有很大的关系，开关频率和调制策略不同，对换流器损耗的影响也不同。相比正弦脉宽调制SPWM， 空间矢量脉宽调制SVPWM可以通过适当地分配零矢量，在同样采样周期的基础上，每相每周期最多可有 120 °的扇区不开关，从而最多可将开关总次数减少1/3，如果在负载电流较大的区域不开关器件，将大大减小器件的开关损耗。相同输出谐波水平下，空间矢量脉宽调制SVPWM 的开关频率较SPWM平均降低约1/3，将降低50%的换流器开关损耗。
2.2 变流器电路结构
多电平变换器具有输出波形谐波成分小、开关频率低以及损耗小的优点，可以用于提高装置效率。三电平变流器有不同的拓朴结构，如二极管箱位（NPC）三电平变流器、飞跨电容式三电平变流器、全桥级联三电平变流器及一些改进型三电平拓扑。
2.3 选择低损耗的开关元件和二极管等元器件
开关器件的导通压降和导通电阻是产生损耗的根本原因，因此选择合理的器件对于降低装置损耗也有重要意义。选择IGBT以及二极管时，在满足成本要求的前提下，优先选择正向导通压降和导通电阻较小、开关损耗较小和工作结温大的元件。
另外，随着SiC功率半导体器件技术的发展，未来SiC器件也可能在降低损耗方面发挥重要作用。
3 短路时装置的保护策略
3.1 微网电能治理装置中IGBT的短路
随着IGBT在微网电能质量治理装置以及在电气各个领域更为广泛的应用，其应用环境也越来越不好，过电流现象以及短路现象不时地出现。但是对于电能质量治理装置来说，不管从可靠性还是安全性方面考虑，这种功率半导体开关器件由于负载短路而烧坏的情况都是绝对不允许出现的。
当微网电能治理装置发生短路故障时，首先考虑IGBT处于何种工作状态。如果IGBT导通状态下发生短路情况，由于电感在直流回路中特别小，因此其短路电流将会特别大，这在IGBT的使用中是一定不能出现的情况。实际运行过程中，IGBT在短路状态下通常要通过一定的技术措施来限制流通过它的短路电流。
电能治理装置中IGBT的短路电流和功耗是由短路回路中的总电感量决定的。当回路中电感量数值较大时，IGBT关断过程中的di/dt比较小，则IGBT的饱和状态将会被延缓。为了保护IGBT 器件免受该过电压的冲击，需要将该电压尖峰控制在 IGBT额定反向截止电压之下。
在电感量数值较小的情况下，IGBT关断过程中的电流变化率di/dt就会比较大。因此，IGBT将会迅速进入退饱和阶段，并伴随着结温快速上升现象。
3.2 短路保护的主要措施
基于以上分析，微网电能治理装置中IGBT的短路保护策略应综合考虑器件可能受到的各种短路电流冲击，具体安全措施包括以下几个方面。
3.2.1 降低回路中的短路电流值
在系统短路情况下，IGBT的端电压Uce将会逐渐上升到直流母线的额定电压等级。短路过程持续时间越长，半导体器件的导通损耗和开关损耗就会越大。如果散热系统不能及时将这部分损耗导致的热量传递出去，IGBT结温将会剧烈升高，达到一定程度则会使IGBT发生永久性损坏。 因此，当发生短路时，必须将回路中的短路电流进行限制，避免出现上述危险情况的发生。另外，当系统检测到短路故障发生时，应该快速控制驱动电路撤销IGBT的驱动信号，将短路电流对IGBT和滤波电容等元器件的冲击程度降到最低，保障装置内内开关器件的安全。
3.2.2 关断速度的设计
一般来说，在关断过程中，大功率IGBT在通常情况下的电流变化速率是特别大的，典型值为1000 A/ us。假设电路中的寄生电感大小为200 nH， 则正确关断过程中一般会产生200 V以上的冲击电压。因此在设计IGBT短路保护时，要充分考虑关断过程中电流变化速率在回路寄生电感中所产生的冲击电压的限制，尽可能使IGBT的关断过程持续时间较长。
因此，可以适当降低栅极电压，使得短路情况下的电流变化率与正常关断时相近。
3.2.3 短路保护的时限设计
从IGBT 短路状态时所承受的电压、电流和极高功率冲击的考虑，IGBT的短路持续时间越短越有利于保持良好状态。在实际应用过程中，短路保护电路的动作时决定了短路持续时间。动作时间包括了检测电路响应时间、驱动电路的延迟时间、避免二极管反向恢复效应所造成的“假短路”需要的时间以及安全裕量的考虑等。从恢复过电流/短路的检测，到检测与信息处理电路做出短路保护动作同样需要时间，其造成的时间延迟大约为1～2 us。系统中驱动电路从输入到输出的时间延迟一般在0.2 us左右。
除此之外，仍需注意，短路保护状态下IGBT的关断过程为慢关断过程。
因此，从检测系统和信息处理电路做出短路保护指令起到IGBT的彻底关断大约需要1～2 us。考虑上述所有的延迟时间后，还需保持一定的安全裕量时间以确保IGBT在短路状态下能够安全可靠的关断。
4 结 语
降低微网电能质量治理装置的损耗对于节约能源、减小散热器体积具有重要意义。微网电能质量治理装置的主体往往是各种拓扑的电力电子变流器，因此其损耗主要是由变流器内工作于高频开关状态开关器件（IGBT等）造成的。通过对装置降损策略和短路保护方案这两方面工程实用技术的探究，有利于推动微网电能质量治理装置在电力系统中更好地发展。
参考文献：
[1] 刘传洋.单相数控光伏并网发电系统的研究[D].南京：南京航空航天大 学，2010. 本文由wWw.DyLw.NeT提供，第一论 文 网专业代写教育教学论文和论文代写以及发表论文服务，欢迎光临dYlw.nET
[2] 徐进.光伏并网逆变器无差拍控制系统的研究[J].水电能源科学，2008，
（2）.
[3] 周德佳，赵争鸣，袁立强，等.300 kW光伏并网系统优化控制与稳定性分 析[J].电工技术学报，2008，（11）.
[4] 赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工 程学报，2007，（16）.
[5] 姜世公，王卫，王盼宝，等.基于功率前馈的单相光伏并网控制策略[J].电 力自动化设备，2010，（6）.
关键词：开关器件;微网电能;电网短路
中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0001-02
1 电力电子开关器件损耗分析
电压源变流器损耗PTotal主要由IGBT损耗PT和反并联二极管损耗PD组成。由开关过程中，IGBT和续流二极管的典型电压电流波形可知，IGBT在开通和关断过程中存在电压、电流均不为零的时间段，期间就产生了开关损耗。同时，在其导通状态下，由于正向导通压降的存在，也会伴随着导通损耗。一般可以忽略截止损耗和驱动损耗，因此IGBT损耗PT主要包括：通态损耗PTcon、开通损耗Pon、关断损耗Poff。
IGBT的通态功耗由其正向导通压降和导通电阻引起，其大小取决于流通过电流（受变流器输出电流以及IGBT开关过程影响），同时受结温的影响。
IGBT的开通和关断功耗由IGBT的导通和关断延迟引起，对于给定的控制参数和被忽略寄生元素，其大小取决于开关频率、流通过的电流、直流母线电压（开通和关断过程，电压变化范围的一端就是母线电压），同时受结温的影响。
续流二极管损耗主要包括：反向恢复损耗、通态损耗。由于开通时间不长，考通损耗可以不作考虑。截止损耗由于其非常小的截止电流，也可以不予考虑。但反向恢复损耗则不同，其反向恢复时间并不短，且电压电流值也并不小，因此一定不能忽略。FWD的通态损耗由其正向导通压降和导通电阻引起，取决于流通过的电流（受变流器输出电流以及IGBT开关过程影响），同时受结温的影响。FWD反向恢复损耗由Diode的反向恢复过程引起，对于给定的续流二极管参数和省略了寄生元素，其大小取决于开关频率、流通过的电流、直流母线电压，同时受结温的影响。
2 降地损耗的具体措施
根据本文第一节中关于开关器件损耗影响因素的分析，可以从PWM调制方式、变流器电路结构、开关控制方式以及开关器件选型等方面对装置中的电力电子变换器进行损耗优化。
2.1 PWM调制方式
换流器损耗与开关频率和调制策略有很大的关系，开关频率和调制策略不同，对换流器损耗的影响也不同。相比正弦脉宽调制SPWM， 空间矢量脉宽调制SVPWM可以通过适当地分配零矢量，在同样采样周期的基础上，每相每周期最多可有 120 °的扇区不开关，从而最多可将开关总次数减少1/3，如果在负载电流较大的区域不开关器件，将大大减小器件的开关损耗。相同输出谐波水平下，空间矢量脉宽调制SVPWM 的开关频率较SPWM平均降低约1/3，将降低50%的换流器开关损耗。
2.2 变流器电路结构
多电平变换器具有输出波形谐波成分小、开关频率低以及损耗小的优点，可以用于提高装置效率。三电平变流器有不同的拓朴结构，如二极管箱位（NPC）三电平变流器、飞跨电容式三电平变流器、全桥级联三电平变流器及一些改进型三电平拓扑。
2.3 选择低损耗的开关元件和二极管等元器件
开关器件的导通压降和导通电阻是产生损耗的根本原因，因此选择合理的器件对于降低装置损耗也有重要意义。选择IGBT以及二极管时，在满足成本要求的前提下，优先选择正向导通压降和导通电阻较小、开关损耗较小和工作结温大的元件。
另外，随着SiC功率半导体器件技术的发展，未来SiC器件也可能在降低损耗方面发挥重要作用。
3 短路时装置的保护策略
3.1 微网电能治理装置中IGBT的短路
随着IGBT在微网电能质量治理装置以及在电气各个领域更为广泛的应用，其应用环境也越来越不好，过电流现象以及短路现象不时地出现。但是对于电能质量治理装置来说，不管从可靠性还是安全性方面考虑，这种功率半导体开关器件由于负载短路而烧坏的情况都是绝对不允许出现的。
当微网电能治理装置发生短路故障时，首先考虑IGBT处于何种工作状态。如果IGBT导通状态下发生短路情况，由于电感在直流回路中特别小，因此其短路电流将会特别大，这在IGBT的使用中是一定不能出现的情况。实际运行过程中，IGBT在短路状态下通常要通过一定的技术措施来限制流通过它的短路电流。
电能治理装置中IGBT的短路电流和功耗是由短路回路中的总电感量决定的。当回路中电感量数值较大时，IGBT关断过程中的di/dt比较小，则IGBT的饱和状态将会被延缓。为了保护IGBT 器件免受该过电压的冲击，需要将该电压尖峰控制在 IGBT额定反向截止电压之下。
在电感量数值较小的情况下，IGBT关断过程中的电流变化率di/dt就会比较大。因此，IGBT将会迅速进入退饱和阶段，并伴随着结温快速上升现象。
3.2 短路保护的主要措施
基于以上分析，微网电能治理装置中IGBT的短路保护策略应综合考虑器件可能受到的各种短路电流冲击，具体安全措施包括以下几个方面。
3.2.1 降低回路中的短路电流值
在系统短路情况下，IGBT的端电压Uce将会逐渐上升到直流母线的额定电压等级。短路过程持续时间越长，半导体器件的导通损耗和开关损耗就会越大。如果散热系统不能及时将这部分损耗导致的热量传递出去，IGBT结温将会剧烈升高，达到一定程度则会使IGBT发生永久性损坏。 因此，当发生短路时，必须将回路中的短路电流进行限制，避免出现上述危险情况的发生。另外，当系统检测到短路故障发生时，应该快速控制驱动电路撤销IGBT的驱动信号，将短路电流对IGBT和滤波电容等元器件的冲击程度降到最低，保障装置内内开关器件的安全。
3.2.2 关断速度的设计
一般来说，在关断过程中，大功率IGBT在通常情况下的电流变化速率是特别大的，典型值为1000 A/ us。假设电路中的寄生电感大小为200 nH， 则正确关断过程中一般会产生200 V以上的冲击电压。因此在设计IGBT短路保护时，要充分考虑关断过程中电流变化速率在回路寄生电感中所产生的冲击电压的限制，尽可能使IGBT的关断过程持续时间较长。
因此，可以适当降低栅极电压，使得短路情况下的电流变化率与正常关断时相近。
3.2.3 短路保护的时限设计
从IGBT 短路状态时所承受的电压、电流和极高功率冲击的考虑，IGBT的短路持续时间越短越有利于保持良好状态。在实际应用过程中，短路保护电路的动作时决定了短路持续时间。动作时间包括了检测电路响应时间、驱动电路的延迟时间、避免二极管反向恢复效应所造成的“假短路”需要的时间以及安全裕量的考虑等。从恢复过电流/短路的检测，到检测与信息处理电路做出短路保护动作同样需要时间，其造成的时间延迟大约为1～2 us。系统中驱动电路从输入到输出的时间延迟一般在0.2 us左右。
除此之外，仍需注意，短路保护状态下IGBT的关断过程为慢关断过程。
因此，从检测系统和信息处理电路做出短路保护指令起到IGBT的彻底关断大约需要1～2 us。考虑上述所有的延迟时间后，还需保持一定的安全裕量时间以确保IGBT在短路状态下能够安全可靠的关断。
4 结 语
降低微网电能质量治理装置的损耗对于节约能源、减小散热器体积具有重要意义。微网电能质量治理装置的主体往往是各种拓扑的电力电子变流器，因此其损耗主要是由变流器内工作于高频开关状态开关器件（IGBT等）造成的。通过对装置降损策略和短路保护方案这两方面工程实用技术的探究，有利于推动微网电能质量治理装置在电力系统中更好地发展。
参考文献：
[1] 刘传洋.单相数控光伏并网发电系统的研究[D].南京：南京航空航天大 学，2010. 本文由wWw.DyLw.NeT提供，第一论 文 网专业代写教育教学论文和论文代写以及发表论文服务，欢迎光临dYlw.nET
[2] 徐进.光伏并网逆变器无差拍控制系统的研究[J].水电能源科学，2008，
（2）.
[3] 周德佳，赵争鸣，袁立强，等.300 kW光伏并网系统优化控制与稳定性分 析[J].电工技术学报，2008，（11）.
[4] 赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究[J].中国电机工 程学报，2007，（16）.
[5] 姜世公，王卫，王盼宝，等.基于功率前馈的单相光伏并网控制策略[J].电 力自动化设备，2010，（6）.