基于IGBT模塊的電能質(zhì)量治理設備能耗狀況及節能分析

作者/ 徐杰彥1 劉旸2 彭愛(ài)軍2 陳征1 冒詠秋2 賈容達1 趙才溢2 楊曦1

1.國網(wǎng)(北京)節能設計研究院有限公司(北京 100052)

2.中國質(zhì)量認證中心南京分中心(江蘇 南京 210005)

*基金項目：國網(wǎng)節能服務(wù)有限公司科技項目“配電網(wǎng)多元設備節能潛力廣域尺度評價(jià)模型及其時(shí)空耦合性研究”;國家質(zhì)量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目(編號：2016IK088)

徐杰彥(1973-)，男，碩士，高級工程師，研究方向：電力系統及其自動(dòng)化;冒詠秋，男，碩士，工程師，研究方向：節能及新能源技術(shù)。

摘要：本文重點(diǎn)研究了基于IGBT模塊的電能質(zhì)量類(lèi)治理設備的能耗狀況及節能路徑。首先，對典型拓撲結構的SVG、APF、MEC在額定輸出工況下的損耗特性進(jìn)行了分析，確定了主要耗能部分;隨后，分析了 IGBT模塊能耗機理及降耗可行性路徑;最后，總結出現階段國內基于IGBT模塊的電能質(zhì)量類(lèi)治理設備降低自身工作能耗的重點(diǎn)改進(jìn)方向。

引言

　　隨著(zhù)電能替代戰略的實(shí)施，電力需求的飛速增長(cháng)將進(jìn)一步加劇傳統電網(wǎng)中存在的電力供應穩定性不足、低電壓等電能質(zhì)量問(wèn)題^[5]。電能質(zhì)量問(wèn)題的存在可影響設備正常運轉，導致線(xiàn)路損耗增大，甚至會(huì )危及電網(wǎng)安全。隨著(zhù)電力需求側電能質(zhì)量敏感性負荷的日益增多，電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的危害也越來(lái)越大。數據表明，電能質(zhì)量問(wèn)題導致企業(yè)用電成本增加可達30%。隨著(zhù)安全可靠、清潔高效的智能電網(wǎng)的建設，我國對提高電能質(zhì)量、凈化電網(wǎng)、提高電能利用效率的要求也日趨提高^[6]。

　　目前，采用諧波抑制、無(wú)功補償等技術(shù)手段處理供電電壓偏差、電力系統頻率偏差、三相電壓不平衡、諧波抑制、電壓波動(dòng)與閃變控制、電壓暫降與短時(shí)間中斷的緩解等典型電能質(zhì)量問(wèn)題。普遍認為，電能質(zhì)量問(wèn)題只能以電力電子技術(shù)為核心手段來(lái)加以解決^[7]，隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微處理器的迅速發(fā)展， SVC(Static Var Compensation Device) 、SVG(Static Var Generator)、APF(Active Power Filter)、MEC(Multifunction Electricity Controller & Optimizer)等裝置在無(wú)功補償、濾除諧波等提升電能質(zhì)量方面發(fā)揮出了良好效果。然而，隨著(zhù)電力電子器件開(kāi)關(guān)頻率的提高和開(kāi)關(guān)容量的增加^[8]，SVG、APF、MEC等電能質(zhì)量類(lèi)提升設備中使用的可關(guān)斷大功率電子器件(如IGBT)工作時(shí)產(chǎn)生的電能損耗也急劇升高^[9]。高電能損耗產(chǎn)生的熱量既降低了設備整體電能利用效率，又可能由于散熱能力的限制而降低設備性能，嚴重時(shí)可危及設備安全，大量的研究對此類(lèi)損耗給予了高度關(guān)注^[10-13]。

　　目前，已有的相關(guān)研究文獻[8-14]大部分僅關(guān)注可關(guān)斷大功率電子器件(如IGBT)的損耗，鮮見(jiàn)針對電力電子類(lèi)電能質(zhì)量提升裝置能耗狀況及能效提升方法的研究。因此，有必要對電力電子類(lèi)電能質(zhì)量提升裝置的整體工作損耗、重點(diǎn)耗能部位損耗及對應的能效提升手段進(jìn)行系統性地研究，以期為提升該類(lèi)裝置的能效水平提供有益的理論參考。

1 基于IGBT模塊的電能質(zhì)量設備損耗分析

1.1 結構組成

　　SVG、APF和MEC三者都屬于有源電能質(zhì)量控制裝置，它們都是通過(guò)產(chǎn)生指定電流對配電網(wǎng)實(shí)現有源補償，而控制其電能質(zhì)量參數的。因此，SVG、APF、MEC三者具有相似的組成結構，如圖1所示。圖1給出了典型的并聯(lián)型有源電能質(zhì)量控制裝置結構框圖，該類(lèi)型裝置主要由控制系統、逆變主電路、輸出濾波器等組成?？刂葡到y是整個(gè)裝置的控制中樞，逆變主電路是整個(gè)裝置的補償電流發(fā)生源，系統控制策略是該類(lèi)裝置的核心技術(shù)，也是不同類(lèi)型產(chǎn)品間最主要差異之處。在不同的系統控制策略下，裝置會(huì )輸出不同的指定電流，這在SVG、APF和MEC三類(lèi)設備上分別表現為：SVG可以輸出一個(gè)與負荷無(wú)功電流反相位的特殊補償電流;APF可以輸出一個(gè)與負荷諧波電流及基波無(wú)功電流反相位的特殊補償電流;MEC可以輸出一個(gè)與負荷不平衡電流反相位的特殊補償電流源。圖1中所示的逆變主電路主要為IGBT模塊組，輸出濾波器則主要為濾波電感及電容等。因此，在研究SVG、APF、MEC等有源電能質(zhì)量控制裝置能耗時(shí)，將其劃分為控制系統、逆變主電路(IGBT模塊)和輸出濾波器(濾波電感和電容)3個(gè)主要組成部分進(jìn)行分析。

1.2 損耗分析

　　表1給出了額定輸出工況下，各類(lèi)電能質(zhì)量控制設備的自身?yè)p耗情況，同容量的SVC與SVG相比，額定輸出情況下，SVC總損耗較低，約占額定功率的1%左右。與以SVC為代表的傳統無(wú)源器件相比，IGBT類(lèi)電能質(zhì)量控制設備的自身?yè)p耗均較高，在2.5%以上，尤其對于A(yíng)PF，作為諧波發(fā)生器，需要的直流電壓更高，所以，其IGBT的開(kāi)關(guān)損耗和電感損耗均較SVG、MEC更高，可達3%。

　　在計算出各類(lèi)設備自身工作總損耗的基礎之上，進(jìn)一步細化分析各主要損耗部分的占比情況，如圖2所示?？梢钥闯?，SVC與SVG及其他IGBT類(lèi)電能質(zhì)量控制設備損耗構成的差別在于不存在IGBT模塊損耗，而對于具有IGBT模塊的各類(lèi)設備，IGBT模塊的損耗占比總損耗最大約為50%，其次為濾波電感、電容損耗，約45%，其余為控制系統部分及其他損耗，約5%?？梢钥闯?，IGBT類(lèi)電能質(zhì)量控制產(chǎn)品的兩大主要損耗為IGBT模塊損耗、濾波電感及電容損耗，這兩部分是降低設備自身工作損耗潛力的重點(diǎn)挖掘對象。

2 IGBT模塊損耗節能路徑分析

2.1 IGBT模塊損耗構成

　　由1.2部分可知，基于IGBT模塊的主回路損耗是SVG、APF、MEC等設備在工作狀態(tài)下的主要損耗之一。IGBT模塊的損耗主要源自于內部IGBT及二級管(續流FWD、整流芯片)的損耗，主要是IGBT和FWD產(chǎn)生的損耗[11]。在實(shí)際的電力電子變換裝置中，裝置的IGBT損耗、FWD損耗、總損耗有如下計算關(guān)系^[15]：

　　IGBT總損耗：

(1)

　　FWD總損耗：

(2)

　　總損耗：

(3)

　　式中，P_l,s-on、P_l,s-off和P_l,s-st為第l個(gè)IGBT的平均開(kāi)通、關(guān)斷和通態(tài)損耗;P_l,d-off和P_l,d-st分別為第l個(gè)FWD_i的平均關(guān)斷和通態(tài)損耗。

　　進(jìn)一步，第l個(gè)器件上IGBT的平均開(kāi)通、關(guān)斷和通態(tài)損耗，可按如下公式計算：