鄧穎容

(長沙供電分公司，湖南 長沙 410000)

基于IGBT損耗模型的STATCOM中開關(guān)模塊的損耗分析

鄧穎容

(長沙供電分公司，湖南 長沙 410000)

STATCOM作為柔性交流輸電系統(tǒng)中的重要成員之一，由于其體積小，容量大，調(diào)節(jié)連續(xù)，響應(yīng)快等優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。以電壓型STATCOM為基礎(chǔ)，針對其中存在的大量的IGBT開關(guān)模塊，結(jié)合IGBT自身的物理與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，提出了一種在STATCOM工作特性之下的IGBT損耗分析。實(shí)驗(yàn)證明，此方法在精度與運(yùn)算速度上都能較好的實(shí)現(xiàn)工程需要，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

STATCOM;IGBT;損耗分析

1 引言

在我們?nèi)粘Ｉ钣秒娨约肮I(yè)等用電中，由于存在有大量的非線性、沖擊性裝置，這些非線性、沖擊性負(fù)載已經(jīng)大大影響了設(shè)備的運(yùn)行[1,3]，且易增加設(shè)備容量，使得電網(wǎng)中存在有大量的無功，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。為了解決由此造成的功率因數(shù)降低的問題，需要裝設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備?，F(xiàn)有的補(bǔ)償無功，解決諧波等電能質(zhì)量問題的方法大體分為兩種[4-7]：一種是利用電力電子裝置本身的性能進(jìn)行改進(jìn)；一種是安裝無功補(bǔ)償裝置。相對而言，后者較為簡單，實(shí)施方便，故應(yīng)用較為廣泛。實(shí)際應(yīng)用中的無功補(bǔ)償裝置大體分為三類：低壓無功補(bǔ)償裝置；無源濾波裝置與同步補(bǔ)償器。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逐漸走進(jìn)人們的視野[8-9]，其作為開關(guān)元件具有驅(qū)動功率小，開關(guān)頻率高的特點(diǎn)取代了傳統(tǒng)STATCOM中作為開關(guān)元件的GTO。然而，由于STATCOM的容量大，開關(guān)模塊多，且開關(guān)頻率高，對其開關(guān)元件的損耗分析尤其是IGBT及其反向串聯(lián)晶閘管的損耗分析顯得尤為重要。本文基于IGBT的物理結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)提出針對STATCOM中的開關(guān)模塊做出其損耗分析，具有一定的意義。

2 STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)

2.1 STATCOM的基本結(jié)構(gòu)

圖1 STATCOM的單機(jī)-無窮大系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)圖

STATCOM主電路結(jié)構(gòu)一般分為電壓型與電流型兩種，本文主要采用電壓型橋式電路。圖1所示為一個(gè)中點(diǎn)接有STATCOM的單機(jī)-無窮大系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)圖。

由圖2所示的U-I特性曲線中的非線性區(qū)域可知STATCOM具有電源特性，因此在其等值電路圖中采用的是可控電源替代。

在實(shí)際模擬過程中，STATCOM可分為3個(gè)部分：一是消除逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波的電抗器；二是起續(xù)流作用并通過脈寬調(diào)制技術(shù)控制的IGBT及其反向二極管的開關(guān)模塊，也是本文的損耗分析的對象；三是為裝置提供電壓的直流側(cè)電容。

圖2 U-I特性曲線

2.2 STATCOM的工作原理

STATCOM的主要功能便是快速跟蹤負(fù)荷電流，分析其諧波，無功以及不對稱分量等并實(shí)時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償電流，調(diào)節(jié)無功功率問題。從圖3可知，整個(gè)STATCOM裝置相當(dāng)于一個(gè)可控的電壓源，因此假定STATCOM側(cè)的空載電壓為U1，系統(tǒng)相電壓為US，其連接阻抗為X，可求得其輸出電流為

(1)

從而可以得出其單相輸出無功為

(2)

圖3 STATCOM系統(tǒng)裝置圖

由式(2)可知，當(dāng)STATCOM側(cè)電壓高于系統(tǒng)側(cè)電壓，即U1>US時(shí)，裝置向系統(tǒng)注入無功，等效為在系統(tǒng)中并聯(lián)一個(gè)電容，其原理如圖4所示。

圖4 STATCOM工作原理圖(U1>US)

當(dāng)STATCOM側(cè)電壓低于系統(tǒng)側(cè)電壓時(shí)，即U1

圖5 STATCOM工作原理圖(U1

3 IGBT開關(guān)模塊的暫態(tài)分析

基于STATCOM中所用的IGBT模塊形式，將IGBT開關(guān)模塊的物理與數(shù)學(xué)模型代入其中，進(jìn)行損耗分析。

IGBT開關(guān)模塊的損耗分析與暫態(tài)分析，國內(nèi)外也有許多關(guān)于這方面的文章。但大多數(shù)考慮的因素比較多，存在有缺陷。一般廠家只是簡單的提供了特殊工況下的損耗參數(shù)與曲線，對于IGBT開關(guān)模塊作為STATCOM中的開關(guān)模塊的暫態(tài)分析與損耗而言，應(yīng)根據(jù)其特性與實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出的參數(shù)，再結(jié)合廠家提供的參數(shù)，進(jìn)行曲線擬合，得出其精確值。

3.1 基于物理結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)方法的IGBT損耗模型

通過分析IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及載流子等的工作情況，運(yùn)用各種電氣元件來模擬IGBT的工作過程，并結(jié)合IGBT的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，從而擬合出精確的STATCOM中IGBT的損耗曲線，達(dá)到分析的目的。

IGBT的一般物理結(jié)構(gòu)有Hefner，sheng，Kraus等物理模型(分別如圖6～8所示)，通過分析比較各物理模型，并結(jié)合IGBT在STATCOM中的實(shí)際工作情況，本文選用其sheng結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模擬如圖9所示。主要?dú)w因于sheng物理結(jié)構(gòu)主要用于D-IGBT，其特點(diǎn)是在描述IGBT靜態(tài)特性時(shí)，采用二維載流子分布的方法，同時(shí)考慮了期間的動態(tài)特性與溫度的影響。

圖6 Saber軟件中的Hefner模型圖

在將IGBT的物理結(jié)構(gòu)模型搭建完畢之后，本文的重心就在于將先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法引入其暫態(tài)與損耗分析中來?；贗GBT的數(shù)學(xué)方法研究，國內(nèi)外專家已經(jīng)給出了許多種。但是大多數(shù)由于其考慮的因素不全面，使得計(jì)算不精確；一部分沒有考慮到IGBT在不同的電氣設(shè)備中的工作情況，使得計(jì)算誤差較大。

其數(shù)學(xué)方法有指數(shù)方法、線性化方法、多項(xiàng)式方法、三角形方法等，但這些數(shù)學(xué)方法都或多或少有其不足之處。如果單純采用其數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算量較大，且不能依據(jù)其實(shí)際工作情況，會產(chǎn)生一定誤差。而一般廠家也只提供特殊情況下IGBT的損耗參數(shù)或者曲線，且不能考慮實(shí)際工作中，IGBT的溫度，電壓以及模型對其的影響。因此本文所采取的措施為運(yùn)用TSC中IGBT的sheng物理結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況，并結(jié)合廠家所給出的技術(shù)參數(shù)，采用線性化方法與指數(shù)方法結(jié)合的數(shù)學(xué)方法。

圖7 Kraus模型圖

圖8 sheng模型圖

圖9 STATCOM中IGBT的損耗模型

4 損耗分析

4.1 導(dǎo)通損耗

根據(jù)廠家提供的IGBT導(dǎo)通時(shí)電壓電流參數(shù)，與實(shí)際測量得到的在TSC中IGBT導(dǎo)通時(shí)刻電壓電流實(shí)際參數(shù)進(jìn)行比對與校驗(yàn)，得到IGBT典型的電壓/電流曲線如圖10所示。

圖10 IGBT典型的電壓/電流曲線圖

由于負(fù)載是感性的，因此在載波周期時(shí)間τ內(nèi)，電流流過IGBT的時(shí)間為ατ，而余下的(1-α)τ時(shí)間內(nèi)，電流流過反向二極管。因此，此時(shí)的導(dǎo)通損耗將記及IGBT的導(dǎo)通損耗以及反向二極管的損耗兩部分。

在TSC的控制方式下，設(shè)調(diào)制函數(shù)為g(α)，θ為電流與電壓之間的相角，而調(diào)制系數(shù)為N。由此可得占空比為：

(3)

因此計(jì)算得知在第K個(gè)載波周期內(nèi)，IGBT的導(dǎo)通損耗為：

(4)

4.2 開通損耗

在計(jì)算IGBT的開通損耗時(shí)，不僅僅要考慮其電流，集電極電壓，還應(yīng)考慮IGBT在各結(jié)溫下的不同損耗特性。本文采用的IGBT的型號為G40N150D。根據(jù)廠家提供的IGBT在不同結(jié)溫，電流下的開通損耗表如表1所示。

表1 IGBT在不同結(jié)溫，電流下的開通損耗表 mJ

由于其開通損耗相對來說較小，且須根據(jù)實(shí)際結(jié)溫情況，故本文對于STATCOM中IGBT的開通損耗采用結(jié)合廠家所給資料，結(jié)合IGBT實(shí)際工作情況取定。

4.3 關(guān)斷損耗

IGBT的損耗分為靜態(tài)損耗與動態(tài)損耗。而動態(tài)損耗包括之前提到的開通損耗，以及本節(jié)將講到的關(guān)斷損耗。由圖11所得的IGBT典型開關(guān)波形可以看出，在關(guān)斷時(shí)，電流與時(shí)間的關(guān)系成一定比例關(guān)系。

圖11 IGBT典型開關(guān)波形

取下降時(shí)間為tf，根據(jù)廠家所提供的資料進(jìn)行比較，得到m=0.7,n=0.3?？山魄蟮胻f。

(5)

由此可計(jì)算得知其關(guān)斷損耗為：

(6)

從而計(jì)算得出的關(guān)斷損耗功率為：

(7)

5 總結(jié)

依據(jù)本文第2節(jié)所提出的在STATCOM中的IGBT開關(guān)模塊的物理結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合公式(4)～(7)，可以分析得出IGBT開關(guān)模塊的損耗。為了驗(yàn)證本文方法的有效性與實(shí)用性，取型號為G40N150D的IGBT作為本次仿真與實(shí)驗(yàn)的樣本。表2為其簡要參數(shù)。

表2 型號為G40N150D的IGBT的參數(shù)表

經(jīng)實(shí)驗(yàn)與仿真得知，本文所搭建的物理結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，在對IGBT作為STATCOM中開關(guān)模塊進(jìn)行損耗分析時(shí)，具有較好的精確度與實(shí)用性。

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Loss Analysis of STATCOM Switching Module Based on IGBT Loss Model

DENGYing-rong

(Changsha Power Supply Branch，Changsha 410000,China)

STATCOM as an important member of the FACTS,because of its small size,large capacity,adjusting continuous,fast response and other advantages,the applications in the power system are more and more widely.This paper is based on the voltage type STATCOM,for which there is a lot of IGBT switch modules,combined with the physical and mathematical structure of IGBT itself,we presents an analysis under the STATCOM characteristics of IGBT loss.Experiments show that,this method realizes the needs in the engineering precision and speed,this method has certain application value.

STATCOM;IGBT;loss analysis

1004-289X(2015)03-0049-05

TM71

B

2014-05-03

鄧穎容(1990-)女，助理工程師,長沙市電力局。