基于IGBT模塊的電能質量治理設備能耗狀況及節能分析

作者/ 徐杰彥1 劉旸2 彭愛軍2 陳征1 冒詠秋2 賈容達1 趙才溢2 楊曦1

1.國網(北京)節能設計研究院有限公司(北京 100052)

2.中國質量認證中心南京分中心(江蘇 南京 210005)

*基金項目：國網節能服務有限公司科技項目“配電網多元設備節能潛力廣域尺度評價模型及其時空耦合性研究”;國家質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：電力系統及其自動化;冒詠秋，男，碩士，工程師，研究方向：節能及新能源技術。

摘要：本文重點研究了基于IGBT模塊的電能質量類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模塊的電能質量類治理設備降低自身工作能耗的重點改進方向。

引言

　　隨著電能替代戰略的實施，電力需求的飛速增長將進一步加劇傳統電網中存在的電力供應穩定性不足、低電壓等電能質量問題^[5]。電能質量問題的存在可影響設備正常運轉，導致線路損耗增大，甚至會危及電網安全。隨著電力需求側電能質量敏感性負荷的日益增多，電能質量問題產生的危害也越來越大。數據表明，電能質量問題導致企業用電成本增加可達30%。隨著安全可靠、清潔高效的智能電網的建設，我國對提高電能質量、凈化電網、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、無功補償等技術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、電壓波動與閃變控制、電壓暫降與短時間中斷的緩解等典型電能質量問題。普遍認為，電能質量問題只能以電力電子技術為核心手段來加以解決^[7]，隨著電力電子技術和微處理器的迅速發展， SVC(Static Var Compensation Device) 、SVG(Static Var Generator)、APF(Active Power Filter)、MEC(Multifunction Electricity Controller & Optimizer)等裝置在無功補償、濾除諧波等提升電能質量方面發揮出了良好效果。然而，隨著電力電子器件開關頻率的提高和開關容量的增加^[8]，SVG、APF、MEC等電能質量類提升設備中使用的可關斷大功率電子器件(如IGBT)工作時產生的電能損耗也急劇升高^[9]。高電能損耗產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，嚴重時可危及設備安全，大量的研究對此類損耗給予了高度關注^[10-13]。

　　目前，已有的相關研究文獻[8-14]大部分僅關注可關斷大功率電子器件(如IGBT)的損耗，鮮見針對電力電子類電能質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電能質量提升裝置的整體工作損耗、重點耗能部位損耗及對應的能效提升手段進行系統性地研究，以期為提升該類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量控制裝置，它們都是通過產生指定電流對配電網實現有源補償，而控制其電能質量參數的。因此，SVG、APF、MEC三者具有相似的組成結構，如圖1所示。圖1給出了典型的并聯型有源電能質量控制裝置結構框圖，該類型裝置主要由控制系統、逆變主電路、輸出濾波器等組成。控制系統是整個裝置的控制中樞，逆變主電路是整個裝置的補償電流發生源，系統控制策略是該類裝置的核心技術，也是不同類型產品間最主要差異之處。在不同的系統控制策略下，裝置會輸出不同的指定電流，這在SVG、APF和MEC三類設備上分別表現為：SVG可以輸出一個與負荷無功電流反相位的特殊補償電流;APF可以輸出一個與負荷諧波電流及基波無功電流反相位的特殊補償電流;MEC可以輸出一個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等有源電能質量控制裝置能耗時，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個主要組成部分進行分析。

1.2 損耗分析

　　表1給出了額定輸出工況下，各類電能質量控制設備的自身損耗情況，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為代表的傳統無源器件相比，IGBT類電能質量控制設備的自身損耗均較高，在2.5%以上，尤其對于APF，作為諧波發生器，需要的直流電壓更高，所以，其IGBT的開關損耗和電感損耗均較SVG、MEC更高，可達3%。

　　在計算出各類設備自身工作總損耗的基礎之上，進一步細化分析各主要損耗部分的占比情況，如圖2所示。可以看出，SVC與SVG及其他IGBT類電能質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%。可以看出，IGBT類電能質量控制產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產生的損耗[11]。在實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IGBT的平均開通、關斷和通態損耗;P_l,d-off和P_l,d-st分別為第l個FWD_i的平均關斷和通態損耗。

　　進一步，第l個器件上IGBT的平均開通、關斷和通態損耗，可按如下公式計算：