基于IGBT模塊的電能質(zhì)量治理設(shè)備能耗狀況及節(jié)能分析
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作者/ 徐杰彥1 劉旸2 彭愛(ài)軍2 陳征1 冒詠秋2 賈容達(dá)1 趙才溢2 楊曦1
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201705/359749.htm1.國(guó)網(wǎng)(北京)節(jié)能設(shè)計(jì)研究院有限公司(北京 100052)
2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心南京分中心(江蘇 南京 210005)
*基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司科技項(xiàng)目“配電網(wǎng)多元設(shè)備節(jié)能潛力廣域尺度評(píng)價(jià)模型及其時(shí)空耦合性研究”;國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2016IK088)
徐杰彥(1973-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化;冒詠秋，男，碩士，工程師，研究方向：節(jié)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)量類治理設(shè)備的能耗狀況及節(jié)能路徑。首先，對(duì)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jī)理及降耗可行性路徑;最后，總結(jié)出現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)基于IGBT模塊的電能質(zhì)量類治理設(shè)備降低自身工作能耗的重點(diǎn)改進(jìn)方向。
引言
隨著電能替代戰(zhàn)略的實(shí)施，電力需求的飛速增長(zhǎng)將進(jìn)一步加劇傳統(tǒng)電網(wǎng)中存在的電力供應(yīng)穩(wěn)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(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致線路損耗增大，甚至?xí)＜半娋W(wǎng)安全。隨著電力需求側(cè)電能質(zhì)量敏感性負(fù)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(shù)據(jù)表明，電能質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致企業(yè)用電成本增加可達(dá)30%。隨著安全可靠、清潔高效的智能電網(wǎng)的建設(shè)，我國(guó)對(duì)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(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)手段處理供電電壓偏差、電力系統(tǒng)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(rèn)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(bǔ)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)量類提升設(shè)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(shè)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(shè)備性能，嚴(yán)重時(shí)可危及設(shè)備安全，大量的研究對(duì)此類損耗給予了高度關(guān)注[10-13]。
目前，已有的相關(guān)研究文獻(xiàn)[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(duì)電力電子類電能質(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(duì)電力電子類電能質(zhì)量提升裝置的整體工作損耗、重點(diǎn)耗能部位損耗及對(duì)應(yīng)的能效提升手段進(jìn)行系統(tǒng)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(zhì)量設(shè)備損耗分析
1.1 結(jié)構(gòu)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(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償，而控制其電能質(zhì)量參數(shù)的。因此，SVG、APF、MEC三者具有相似的組成結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)框圖，該類型裝置主要由控制系統(tǒng)、逆變主電路、輸出濾波器等組成?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)裝置的控制中樞，逆變主電路是整個(gè)裝置的補(bǔ)償電流發(fā)生源，系統(tǒng)控制策略是該類裝置的核心技術(shù)，也是不同類型產(chǎn)品間最主要差異之處。在不同的系統(tǒng)控制策略下，裝置會(huì)輸出不同的指定電流，這在SVG、APF和MEC三類設(shè)備上分別表現(xiàn)為：SVG可以輸出一個(gè)與負(fù)荷無(wú)功電流反相位的特殊補(bǔ)償電流;APF可以輸出一個(gè)與負(fù)荷諧波電流及基波無(wú)功電流反相位的特殊補(bǔ)償電流;MEC可以輸出一個(gè)與負(fù)荷不平衡電流反相位的特殊補(bǔ)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(tǒng)、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，各類電能質(zhì)量控制設(shè)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(tǒng)無(wú)源器件相比，IGBT類電能質(zhì)量控制設(shè)備的自身?yè)p耗均較高，在2.5%以上，尤其對(duì)于APF，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(dá)3%。
在計(jì)算出各類設(shè)備自身工作總損耗的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步細(xì)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類電能質(zhì)量控制設(shè)備損耗構(gòu)成的差別在于不存在IGBT模塊損耗，而對(duì)于具有IGBT模塊的各類設(shè)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(tǒng)部分及其他損耗，約5%?？梢钥闯?，IGBT類電能質(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(shè)備自身工作損耗潛力的重點(diǎn)挖掘?qū)ο蟆?/p>
2 IGBT模塊損耗節(jié)能路徑分析
2.1 IGBT模塊損耗構(gòu)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(shè)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(nèi)部IGBT及二級(jí)管(續(xù)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(jì)算關(guān)系[15]：
IGBT總損耗：
(1)
FWD總損耗：
(2)
總損耗：
(3)
式中，Pl,s-on、Pl,s-off和Pl,s-st為第l個(gè)IGBT的平均開(kāi)通、關(guān)斷和通態(tài)損耗;Pl,d-off和Pl,d-st分別為第l個(gè)FWDi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(jì)算：
評(píng)論