楊 昆，王 躍，陶海軍，陳國(guó)柱

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引言

由于電弧爐、電焊機(jī)、軋鋼機(jī)等大容量、沖擊性無(wú)功負(fù)荷以及電力電子裝置等非線性負(fù)荷的大量應(yīng)用，配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）可有效解決由于無(wú)功和諧波引起的電壓跌落或上升、三相不平衡、電磁干擾、損耗和噪聲等電能質(zhì)量問(wèn)題，并且運(yùn)行性能優(yōu)越，具有調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)行范圍寬、輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景良好，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)DSTATCOM的基本功率單元為基于H橋逆變器的換流模塊（HCM），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于模塊化設(shè)計(jì)。其采用低耐壓開(kāi)關(guān)器件和無(wú)源元件，通過(guò)HCM交流側(cè)串聯(lián)提高裝置耐壓等級(jí)，由單個(gè)器件較低的開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)高等效開(kāi)關(guān)頻率的效果，有效減小裝置損耗，降低交流濾波器容量，廣泛應(yīng)用于補(bǔ)償要求較高的中壓配電網(wǎng)。大量文獻(xiàn)對(duì)基于該拓?fù)銬STATCOM的模型分析、運(yùn)行特性、交/直流側(cè)控制策略、調(diào)制方式及應(yīng)用領(lǐng)域等展開(kāi)了深入討論，取得了豐富成果[6-11]，但少有涉及功率單元HCM的軟硬件設(shè)計(jì)。

換流模塊的可靠性、可控性和可測(cè)量性直接關(guān)系DSTATCOM整體的補(bǔ)償性能和穩(wěn)定性，并且具有高功率密度、模塊化設(shè)計(jì)的HCM方便實(shí)現(xiàn)電壓和容量匹配，增強(qiáng)裝置補(bǔ)償性能和靈活性，是DSTATCOM的核心組件。本文基于PEBB概念，以模塊化，控制、供電和檢測(cè)分散智能化，以及可靠性為目的，介紹了一種集成功率變換、驅(qū)動(dòng)控制、檢測(cè)保護(hù)等功能的“即插即用”型HCM，包括主電路原理及參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)；基于CPLD開(kāi)發(fā)了具有高可靠性的通用模塊控制器；搭建HCM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，并且在一臺(tái)10 kV/±3 Mvar工業(yè)樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模塊的可靠性。

1 HCM主電路設(shè)計(jì)

1.1 主電路原理及電氣參數(shù)

HCM電路原理如圖1所示，主電路包括基于IGBT的H橋逆變器、直流支撐電容Cdc、尖峰吸收電容Cs和直流泄放電阻Rdc。

圖1 HCM電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of HCM

通過(guò)橋臂的開(kāi)關(guān)組合可以獲得不同的等效交流輸出電壓UAB。IGBT電氣參數(shù)主要考慮器件耐壓、電流和開(kāi)關(guān)頻率，模塊化設(shè)計(jì)還需要考慮封裝、發(fā)熱和寄生參數(shù)等問(wèn)題，每個(gè)橋臂（VTL1，2、VTR1，2）通過(guò)若 干IGBT 并聯(lián)組成，以滿足 HCM 功率要求[12]；Cdc容值選擇主要考慮脈動(dòng)電壓的抑制能力，此外還需要根據(jù)仿真確定極限工況時(shí)流過(guò)的紋波電流，通常采用多個(gè)金屬化膜電容并聯(lián)獲得較高的紋波電流吸收能力[13]；尖峰吸收電容用來(lái)抑制由于IGBT引線及雜散電感產(chǎn)生的關(guān)斷尖峰，根據(jù)吸收回路能量守恒確定其參數(shù)；裝置退出運(yùn)行后，直流支撐電容存儲(chǔ)的能量通過(guò)泄放電阻釋放，保證操作人員安全，放電時(shí)間根據(jù)用戶及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

1.2 結(jié)構(gòu)及散熱

應(yīng)用SolidWorks軟件根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)了額定功率278 kW、電流600 A的HCM，每個(gè)橋臂采用3只英飛凌公司FF450R17ME4型IGBT并聯(lián)，模塊3D效果圖如圖2所示，其電氣間隙、爬電距離和載流密度等都滿足國(guó)標(biāo)和IEC標(biāo)準(zhǔn)，并且直流側(cè)采用層疊母線以減小寄生參數(shù)影響。HCM功率接口為交流母線的2個(gè)連接端子，散熱為2個(gè)進(jìn)出水快速接頭，控制包括上行、下行2根通信光纖及電源接口，模塊內(nèi)部集成控制、保護(hù)及狀態(tài)檢測(cè)等功能，在應(yīng)用時(shí)只需將交流側(cè)端子根據(jù)電路拓?fù)溥B接，快速接頭與主管路連接，通信光纖與主控制器對(duì)應(yīng)連接，隔離交流20 V供電，即實(shí)現(xiàn)即插即用。在實(shí)際DSTATCOM運(yùn)行過(guò)程中，單個(gè)模塊故障拆卸及安裝時(shí)間小于5min，充分保證了工作效率。

圖2 HCM 3D效果圖Fig.2 3D impression drawing of HCM

HCM工作溫度需要滿足行業(yè)和用戶要求[14-15]，通過(guò)仿真計(jì)算方法驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)，可有效減少開(kāi)發(fā)成本周期。設(shè)HCM最高開(kāi)關(guān)頻率2.5 kHz，根據(jù)仿真計(jì)算及數(shù)據(jù)手冊(cè)提供熱阻參數(shù)，并保留一定余量，有：模塊額定工作損耗2 kW，芯片到散熱基板溫差小于25℃。為保證器件工作溫度不超過(guò)90℃的安全范圍，采用水冷方式散熱，若最高工作環(huán)境溫度設(shè)計(jì)為45℃，考慮由于器件基板和散熱器連接處存在5℃溫差，則散熱器穩(wěn)定后溫度應(yīng)小于60℃。根據(jù)上述條件，將IGBT看作恒功率源，在確定水冷板結(jié)構(gòu)前提下調(diào)整水流量進(jìn)行仿真，以保證散熱要求，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 散熱器仿真結(jié)果Fig.3 Simulative results of heat sink

2 模塊控制器設(shè)計(jì)

2.1 模塊控制器結(jié)構(gòu)

模塊控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4，由供電、接口、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)和控制5個(gè)單元組成，主要實(shí)現(xiàn)與DSTATCOM系統(tǒng)控制器串行通信，接收控制信號(hào)及驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)工作，同時(shí)反饋模塊狀態(tài)。

供電單元原理如圖5所示，供電單元為其他功能單元供電，由于電源品質(zhì)和可靠性直接影響模塊控制器穩(wěn)定性和性能，因此采用高可靠性、穩(wěn)壓輸出的模塊電源完成，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮容量和負(fù)載效應(yīng)，并且與驅(qū)動(dòng)電路連接的部分輸出要做EMC處理，防止主功率回路對(duì)控制回路的反向干擾。

為保證通信速度和可靠性，采用光纖傳遞控制/反饋信號(hào)，接口電路實(shí)現(xiàn)光/電信號(hào)轉(zhuǎn)換，此外模塊狀態(tài)指示及控制器復(fù)位也通過(guò)接口電路實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)單元與功率回路直接電氣連接，而HCM在高壓大容量開(kāi)關(guān)工作條件下電磁環(huán)境惡劣，為保證模塊運(yùn)行可靠性，采用在工程廣泛使用的CONCEPT公司SCALE2系列專用驅(qū)動(dòng)核設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)單元。除驅(qū)動(dòng)功能外，驅(qū)動(dòng)核還提供了必要的保護(hù)，包括上下橋臂硬件開(kāi)關(guān)死區(qū)、短路保護(hù)、有源箝位實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)、驅(qū)動(dòng)核電源故障等[12，16]，并將故障反饋控制單元。

檢測(cè)單元包括直流電壓檢測(cè)和IGBT過(guò)溫檢測(cè)，基本原理如圖6所示。圖6（a）中，直流電壓檢測(cè)電路通過(guò)壓頻轉(zhuǎn)換芯片將模擬的直流電壓信號(hào)Udc轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的頻率信號(hào)，再經(jīng)隔離電路送入控制單元處理；圖6（b）中，過(guò)溫檢測(cè)電路利用IGBT內(nèi)部負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）特性，判斷散熱基板殼溫，隨模塊溫度升高，NTC阻值下降，采樣電壓Us上升，當(dāng)Us大于參考電壓Uref時(shí)比較器輸出電平反轉(zhuǎn)，參考電壓根據(jù)仿真計(jì)算的IGBT發(fā)熱量、NTC溫度特性曲線、IGBT最高工作結(jié)溫、IGBT芯片結(jié)到殼熱阻確定。

圖4 模塊控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Block diagram of module controller

圖5 供電單元原理圖Fig.5 Schematic diagram of power unit

圖6 檢測(cè)單元框圖Fig.6 Block diagram of detection unit

2.2 基于CPLD的控制單元設(shè)計(jì)

控制單元是HCM工作的核心，基于CPLD設(shè)計(jì)，根據(jù)不同應(yīng)用要求，開(kāi)發(fā)相應(yīng)軟件，有效提高HCM應(yīng)用靈活性和抗干擾能力。本文設(shè)計(jì)的控制單元原理如圖7所示，包括頻率計(jì)、通用移步串行通信（UART）、狀態(tài)鑒別和信號(hào)分配4個(gè)子模塊。

圖7 控制單元框圖Fig.7 Block diagram of control unit

頻率計(jì)模塊用來(lái)測(cè)量檢測(cè)單元輸入信號(hào)的頻率，其CPLD實(shí)現(xiàn)原理見(jiàn)圖8。采用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖對(duì)被測(cè)輸入信號(hào)進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，輸入信號(hào)經(jīng)整形分頻后轉(zhuǎn)換為周期為原來(lái)2倍的方波信號(hào)，再分別采用2個(gè)高、低有效計(jì)數(shù)器，在分頻信號(hào)高、低電平的半個(gè)周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器在無(wú)效狀態(tài)時(shí)清零，并將計(jì)數(shù)結(jié)果儲(chǔ)存在響應(yīng)寄存器中，通過(guò)多路選擇器保證始終輸出最近更新的計(jì)數(shù)結(jié)果，選擇信號(hào)sel由分頻器輸出決定。選擇器輸出即反映輸入信號(hào)頻率，可根據(jù)fdc=fs/n計(jì)算還原，其中fdc為被測(cè)輸入信號(hào)頻率，fs為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，n為二進(jìn)制計(jì)數(shù)結(jié)果。

圖8 頻率計(jì)實(shí)現(xiàn)原理Fig.8 Schematic diagram of frequency meter

模塊控制器和系統(tǒng)控制器之間利用UART進(jìn)行通信，其實(shí)現(xiàn)原理見(jiàn)圖9，包括接收器和發(fā)送器。通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)（FSM）控制移位寄存器和輸入/輸出寄存器工作時(shí)序，其中接收器中通過(guò)起始位檢測(cè)器觸發(fā)，發(fā)送器通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)，收發(fā)時(shí)鐘由各自分頻器獲得。通信數(shù)據(jù)格式見(jiàn)圖10，每幀數(shù)據(jù)包括1位起始位、1位結(jié)束位和若干數(shù)據(jù)位，閑時(shí)電平拉高，起始位為低電平，結(jié)束位為高電平。上行數(shù)據(jù)為頻率計(jì)輸入周期計(jì)數(shù)值和狀態(tài)鑒別模塊輸入的HCM故障，下行信號(hào)為接收主控制器的指令。具體格式定義見(jiàn)表1和表2。其中，上行數(shù)據(jù)100 μs/幀，每幀18位，位寬400ns；下行數(shù)據(jù)4μs/幀，每幀8位，位寬400ns。

圖9 UART實(shí)現(xiàn)原理Fig.9 Schematic diagram of UART

圖10 UART數(shù)據(jù)格式Fig.10 Data format of UART

狀態(tài)鑒別模塊檢測(cè)模塊通信狀態(tài)，并利用頻率計(jì)輸入的頻率信號(hào)判斷電壓狀態(tài)，區(qū)分無(wú)壓、欠壓、正常和過(guò)壓狀態(tài)，各種狀態(tài)以標(biāo)志位形式指示，并送信號(hào)分配模塊通過(guò)LED顯示，緊急故障送故障處理模塊處理，也可通過(guò)發(fā)送編碼模塊送主控制器處理。

表1 上行數(shù)據(jù)格式定義Tab.1 Definition of upstream data format

表2 下行數(shù)據(jù)格式定義Tab.2 Definition of downstream data format

3 HCM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)試

為方便驗(yàn)證HCM各部分功能及性能，搭建HCM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)模塊控制信號(hào)和滿載運(yùn)行性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本原理見(jiàn)圖11，包括功率回路和控制回路。HCM基本電氣參數(shù)與主電路部分相同，此外還包括負(fù)載和直流調(diào)壓電路，用電感作負(fù)載，換流模塊工作在無(wú)源逆變狀態(tài)。調(diào)壓電路從三相電網(wǎng)取電，通過(guò)調(diào)壓器調(diào)整HCM直流側(cè)電壓，由于能量在負(fù)載和HCM支撐電容之間循環(huán)，電網(wǎng)只提供電壓支撐和補(bǔ)償線路、模塊損耗?？刂苹芈窞楸疚脑O(shè)計(jì)的模塊控制器和主控制器。主控制器由DSP和CPLD開(kāi)發(fā)板以及光電轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，為提高HCM等效開(kāi)關(guān)頻率，采用單極倍頻PWM方式，DSP開(kāi)環(huán)給定調(diào)制信號(hào)，反相前后的調(diào)制信號(hào)與三角載波比較，生成2路PWM信號(hào)控制HCM工作，調(diào)制信號(hào)頻率和調(diào)制比決定模塊輸出電壓基波頻率和有效值；編、譯碼模塊和UART模塊與模塊控制器采用相應(yīng)機(jī)制進(jìn)行通信，當(dāng)DSP檢測(cè)到故障通過(guò)封鎖使能信號(hào)保護(hù)模塊。

功率回路斷開(kāi)狀態(tài)下控制電路工作，通過(guò)示波器觀察關(guān)鍵信號(hào)波形。模塊控制器收、發(fā)1幀數(shù)據(jù)波形如圖12所示，圖中上方為收發(fā)數(shù)據(jù)整體波形，下方為收發(fā)1幀數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)波形，可以看出控制器收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)序滿足控制要求。其中，接收幀有效數(shù)據(jù)為01011，表示模塊未復(fù)位，使能開(kāi)放，兩橋臂輸出高；發(fā)送幀周期計(jì)數(shù)值為1010011011，代表十進(jìn)制667，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率5 MHz，則可知直流電壓為0 V時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為7.5 kHz。狀態(tài)標(biāo)志為10100，表示模塊欠壓故障，其他狀態(tài)正常。

左橋臂上下管門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖13所示，其中IGBT開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為1 kHz，可以看出門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)通延時(shí) 0.6 μs，關(guān)斷延時(shí) 1 μs，有效死區(qū)時(shí)間3.5 μs，關(guān)斷時(shí)門(mén)極電壓箝位在-10 V可以減小高頻噪聲影響，保證可靠關(guān)斷。

通過(guò)調(diào)壓器將HCM直流側(cè)電壓穩(wěn)定在額定800 V，控制調(diào)制信號(hào)調(diào)制比，使交流側(cè)輸出工頻額定電流600 A，實(shí)驗(yàn)波形如圖14所示。由于IGBT管壓降要絕對(duì)控制在數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的極限值內(nèi)，因此也給出器件關(guān)斷時(shí)管壓降波形?？梢钥闯鲱~定工作時(shí)，HCM直流側(cè)存在頻率100 Hz的±100 V脈動(dòng)，該波動(dòng)也反映到交流側(cè)，輸出電流滿足要求；層疊平面母線和吸收電容將IGBT最大關(guān)斷尖峰抑制在100 V以內(nèi)，最大管壓降小于1000 V，滿足器件安全工作要求。此外圖中還給出HCM從開(kāi)始運(yùn)行到溫度穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)的溫升曲線，可以看出最高溫度滿足安全運(yùn)行要求。模塊連續(xù)運(yùn)行12 h，各部分功能正常。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖Fig.11 Schematic diagram of experimental platform

圖12 模塊控制器收發(fā)數(shù)據(jù)波形Fig.12 Data sending and receiving waveforms of module controller

圖13 IGBT 門(mén)極信號(hào)波形Fig.13 Gate signal waveforms of IGBT

圖14 HCM滿載實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 Experimental waveforms of HCM with full load

為了進(jìn)一步驗(yàn)證HCM的運(yùn)行性能，將其應(yīng)用到在一臺(tái)10 kV/±3 Mvar的DSTATCOM工業(yè)樣機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，樣機(jī)每相由11個(gè)HCM串聯(lián)構(gòu)成，總共應(yīng)用模塊33個(gè)。圖15給出了樣機(jī)實(shí)際工作波形，uc、ic分別為一相輸出電壓和輸出電流，其中圖15（a）為樣機(jī)輸出2 Mvar容性無(wú)功時(shí)的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形，樣機(jī)連續(xù)6 h運(yùn)行HCM無(wú)異常，穩(wěn)態(tài)及拷機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模塊的可靠性；圖15（b）為樣機(jī)工作在負(fù)載補(bǔ)償模式下，負(fù)載容量從容性1.5Mvar突變到感性1.5Mvar時(shí)，樣機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形；圖15（c）為樣機(jī)工作在公共接入點(diǎn)穩(wěn)壓模式下，母線電壓從9.5kV突變到10.5kV時(shí)，樣機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模塊在不同工況和負(fù)載條件下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

圖15 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 Experimental waveforms of prototype

4 結(jié)論

本文基于PEBB概念設(shè)計(jì)了應(yīng)用于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)DSTATCOM集成功率變換、驅(qū)動(dòng)控制、檢測(cè)保護(hù)等功能的“即插即用”型HCM，模塊設(shè)計(jì)了基于IGBT并聯(lián)的HCM主電路和結(jié)構(gòu)，采用CPLD和專用驅(qū)動(dòng)核芯片設(shè)計(jì)模塊控制器，并介紹了模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試模塊各部分功能和可靠性。控制信號(hào)測(cè)試和滿功率運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、模塊連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和模塊性能。應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的HCM，在10 kV/±3 Mvar的DSTATCOM工業(yè)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模塊的可靠性和適應(yīng)性。