基于IGBT模块的电能质量治理设备能耗状况及节能分析

作者/ 徐杰彦1 刘旸2 彭爱军2 陈征1 冒咏秋2 贾容达1 赵才溢2 杨曦1

1.国网(北京)节能设计研究院有限公司(北京 100052)

2.中国质量认证中心南京分中心(江苏 南京 210005)

*基金项目：国网节能服务有限公司科技项目“配电网多元设备节能潜力广域尺度评价模型及其时空耦合性研究”;国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(编号：2016IK088)

徐杰彦(1973-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化;冒咏秋，男，硕士，工程师，研究方向：节能及新能源技术。

摘要：本文重点研究了基于IGBT模块的电能质量类治理设备的能耗状况及节能路径。首先，对典型拓扑结构的SVG、APF、MEC在额定输出工况下的损耗特性进行了分析，确定了主要耗能部分;随后，分析了 IGBT模块能耗机理及降耗可行性路径;最后，总结出现阶段国内基于IGBT模块的电能质量类治理设备降低自身工作能耗的重点改进方向。

引言

随着电能替代战略的实施，电力需求的飞速增长将进一步加剧传统电网中存在的电力供应稳定性不足、低电压等电能质量问题^[5]。电能质量问题的存在可影响设备正常运转，导致线路损耗增大，甚至会危及电网安全。随着电力需求侧电能质量敏感性负荷的日益增多，电能质量问题产生的危害也越来越大。数据表明，电能质量问题导致企业用电成本增加可达30%。随着安全可靠、清洁高效的智能电网的建设，我国对提高电能质量、净化电网、提高电能利用效率的要求也日趋提高^[6]。

目前，采用谐波抑制、无功补偿等技术手段处理供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡、谐波抑制、电压波动与闪变控制、电压暂降与短时间中断的缓解等典型电能质量问题。普遍认为，电能质量问题只能以电力电子技术为核心手段来加以解决^[7]，随着电力电子技术和微处理器的迅速发展， SVC(Static Var Compensation Device) 、SVG(Static Var Generator)、APF(Active Power Filter)、MEC(Multifunction Electricity Controller & Optimizer)等装置在无功补偿、滤除谐波等提升电能质量方面发挥出了良好效果。然而，随着电力电子器件开关频率的提高和开关容量的增加^[8]，SVG、APF、MEC等电能质量类提升设备中使用的可关断大功率电子器件(如IGBT)工作时产生的电能损耗也急剧升高^[9]。高电能损耗产生的热量既降低了设备整体电能利用效率，又可能由于散热能力的限制而降低设备性能，严重时可危及设备安全，大量的研究对此类损耗给予了高度关注^[10-13]。

目前，已有的相关研究文献[8-14]大部分仅关注可关断大功率电子器件(如IGBT)的损耗，鲜见针对电力电子类电能质量提升装置能耗状况及能效提升方法的研究。因此，有必要对电力电子类电能质量提升装置的整体工作损耗、重点耗能部位损耗及对应的能效提升手段进行系统性地研究，以期为提升该类装置的能效水平提供有益的理论参考。

1 基于IGBT模块的电能质量设备损耗分析

1.1 结构组成

SVG、APF和MEC三者都属于有源电能质量控制装置，它们都是通过产生指定电流对配电网实现有源补偿，而控制其电能质量参数的。因此，SVG、APF、MEC三者具有相似的组成结构，如图1所示。图1给出了典型的并联型有源电能质量控制装置结构框图，该类型装置主要由控制系统、逆变主电路、输出滤波器等组成。控制系统是整个装置的控制中枢，逆变主电路是整个装置的补偿电流发生源，系统控制策略是该类装置的核心技术，也是不同类型产品间最主要差异之处。在不同的系统控制策略下，装置会输出不同的指定电流，这在SVG、APF和MEC三类设备上分别表现为：SVG可以输出一个与负荷无功电流反相位的特殊补偿电流;APF可以输出一个与负荷谐波电流及基波无功电流反相位的特殊补偿电流;MEC可以输出一个与负荷不平衡电流反相位的特殊补偿电流源。图1中所示的逆变主电路主要为IGBT模块组，输出滤波器则主要为滤波电感及电容等。因此，在研究SVG、APF、MEC等有源电能质量控制装置能耗时，将其划分为控制系统、逆变主电路(IGBT模块)和输出滤波器(滤波电感和电容)3个主要组成部分进行分析。

1.2 损耗分析

表1给出了额定输出工况下，各类电能质量控制设备的自身损耗情况，同容量的SVC与SVG相比，额定输出情况下，SVC总损耗较低，约占额定功率的1%左右。与以SVC为代表的传统无源器件相比，IGBT类电能质量控制设备的自身损耗均较高，在2.5%以上，尤其对于APF，作为谐波发生器，需要的直流电压更高，所以，其IGBT的开关损耗和电感损耗均较SVG、MEC更高，可达3%。

在计算出各类设备自身工作总损耗的基础之上，进一步细化分析各主要损耗部分的占比情况，如图2所示。可以看出，SVC与SVG及其他IGBT类电能质量控制设备损耗构成的差别在于不存在IGBT模块损耗，而对于具有IGBT模块的各类设备，IGBT模块的损耗占比总损耗最大约为50%，其次为滤波电感、电容损耗，约45%，其余为控制系统部分及其他损耗，约5%。可以看出，IGBT类电能质量控制产品的两大主要损耗为IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗，这两部分是降低设备自身工作损耗潜力的重点挖掘对象。

2 IGBT模块损耗节能路径分析

2.1 IGBT模块损耗构成

由1.2部分可知，基于IGBT模块的主回路损耗是SVG、APF、MEC等设备在工作状态下的主要损耗之一。IGBT模块的损耗主要源自于内部IGBT及二级管(续流FWD、整流芯片)的损耗，主要是IGBT和FWD产生的损耗[11]。在实际的电力电子变换装置中，装置的IGBT损耗、FWD损耗、总损耗有如下计算关系^[15]：

IGBT总损耗：

(1)

FWD总损耗：

(2)

总损耗：

(3)

式中，P_l,s-on、P_l,s-off和P_l,s-st为第l个IGBT的平均开通、关断和通态损耗;P_l,d-off和P_l,d-st分别为第l个FWD_i的平均关断和通态损耗。

进一步，第l个器件上IGBT的平均开通、关断和通态损耗，可按如下公式计算：

2.2 应用层面实现IGBT模块降损路径

由公式(1)～(8)可知，器件在工作过程中，IGBT模块损耗主要包括3种状态，即通态损耗、开通损耗和开断损耗，分别对应导通、开通、开断工作状态，其总损耗为三者之和。实际上，除此之外还存在断态损耗(漏电流引起，对应断开状态)，但其值很小，一般予以忽略^[13,16]。并且，通态稳定时，通态损耗也基本维持在恒定水平，因此，重点研究和考虑的是开通损耗和关断损耗的变化影响^[13]。

影响IGBT开通损耗和关断损耗的原因很多，除与IGBT芯片自身外，还受到包括驱动电路的电压上升时间、负载电流、负载电压及控制开关的频率等因素影响^[11,14]。

根据以上分析，在实际使用过程中，IGBT模块从几个方面实现降损节能，如图3所示。

考虑到现阶段我国IGBT的自主生产水平及使用现状，本文重点探讨除IGBT本体结构以外的负载电压、负载电流、开关频率等工作状态参数对其损耗的影响规律，以求通过优化控制等手段，从使用层面降低其损耗。

进一步，IGBT开通、关断损耗可按如下公式计算^[17]：

分析公式(9)、(10)可知，IGBT开通、关断损耗与工作状态下电压、电流及开关频率均呈正相关关系，这与文献[8]、文献[13]、文献[14] 等研究结论相一致。

因此，要降低IGBT工作损耗，在实际使用层面可通过降低其工作状态下电压、电流及开关频率来实现。

文献[13]提出了一种基于三相平均电流大小和各相电流大小的滞环宽度调节方法，该方法解决了传统滞环电流采用的固定滞环宽度调节方法存在的，在滞环宽度过小时，较大的负载电流变化率会导致较高开关频率，从而增大了开关损耗的问题。可实现在保持同样的控制精度的情况下，有效降低有源电力滤波器的开关损耗。

文献[8]也指出通过优化IGBT使用环境、性能参数，以及最优的电路拓扑，可以减少器件损耗的产生，加大变换装置的能源利用效率。

文献[18]对软开关技术在实现电力电子变换器开关损耗的方法进行了研究，提出了四种带有能量有源回馈吸收的变换器桥臂单元，并从无源软开关特性方面对四种拓扑进行对比分析，并对其主开关管的开关损耗、辅助二极管附加损耗、能量有源回馈电路损耗等进行了计算。

因此，现阶段我国电力电子设备生产企业，在考虑提升IGBT模块能耗效率时，虽然受制于IGBT芯片本体无法改善的限制，但是还可以从优化IGBT模块电路拓扑结构、优化控制方法等角度出发，提升装置能效水平。

3 电能质量类设备降损路径

根据上述分析，IGBT类电能质量治理设备的损耗主要由控制系统损耗、IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗组成。针对不同损耗部分，从设计、加工工艺、材料选择、控制系统优化等角度出发，均可降低其工作过程中的自身损耗，图4给出了基于IGBT模块的电能质量治理类设备降损路线图。

4 结论

SVG、APF和MEC均为主动补偿，三者主电路图组成基本一样，其主要区别在于系统控制策略的差异;IGBT类电能质量控制产品的主要损耗部分依次为IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗、控制系统损耗，其中，前两者损耗分别约占总损耗的50%和45%。

IGBT模块损耗主要包括通态损耗、开通损耗、开断损耗、断态损耗4种状态。其中，断态损耗值很小，一般予以忽略;而通态稳定时，通态损耗也基本维持在恒定水平。因此，开通损耗和关断损耗是影响IGBT模块损耗的主要状态。IGBT模块的开通损耗和关断损耗可通过优化控制方法，改善设备工作状况下的电压上升时间、负载电流、负载电压及控制开关的频率，实现降低损耗。

参考文献：

[1]张烨.电能在北京市终端能源消费的竞争力评价研究[D].北京：华北电力大学,2009.

[2]王伟,黄珂.电能替代战略：机遇、挑战与政策选择[J].华北电力大学学报(社会科学版)，2014,4：1-5.

[3]牛东晓,张烨,谷志红.电能在终端能源中的替代研究[J].现代经济,2008,79(6):61-62, 65.

[4]林海雪.现代电能质量的基本问题[J]. 电网技术,2001,25(10):5-12.

[5]董旭,祝勇刚,王枫，等.电能替代战略实施下的湖北地区未来电网发展模式探究[J].应用能源技术，2015,11:38-40.

[6]罗安.电能质量治理和高效用能技术与装备[M].北京:中国电力出版社,2014:1.

[7]王兆安.电力电子技术是电能质量控制的重要手段——特邀主编评述[J].电力电子技术,2004,38(6):1.

[8]夏兴国.电力电子器件损耗的测试与计算研究[J].齐齐哈尔大学学报,2016,32(1):1-5.

[9]殷炯,师蒙超,王玉斌,等.安装于集装箱中的SVG散热系统分析与改进[J].机电设备,2014(4)：46-50.

[10]宋静文.大功率光伏逆变器损耗模型的研究[J].广西：广西大学,2010:9.

[11]朱卫东. SVG产品的散热研究及实用设计[J].济南：山东大学,2013:11.

[12]胡建辉,李锦庚,邹继斌,等.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报，2009,24(3):159-163.

[13]曾江,陈浩平,刘艳.有效降低APF开关损耗的滞环宽度调节方法[J].电气传动自动化,2015，37(6)：15-20.

[14]衣鹏,王心坚,孙泽昌. IGBT数值模型及其损耗规律研究[J].机械与电子,2013(8):20-23.

[15]许德伟,朱东起,黄立培,等.电力半导体器件和装置的功率损耗研究[J].清华大学学报(自然科学版),2000,40(3):5-8.

[16]曾江,叶小军,刘艳,等.低开关损耗有源电力滤波器的滞环电流控制[J].华南理工大学学报(自然科学版),2009,37(11):76-82.

[17]雷烈波,李勇,胡广振,等.高压大容量静止同步补偿器的优化节能运行[J].高电压技术，2013，39(2)：488-495.

[18]王蓓蓓.电力电子开关换向过程能量吸收回馈方法研究[D].北京：北京交通大学,2015.

本文来源于《电子产品世界》2017年第6期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。