杜 洋

（山東職業(yè)學(xué)院，濟(jì)南 250104）

0 引言

能源是社會(huì)發(fā)展進(jìn)步的首要推動(dòng)力，更是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型成果的縮影。電能作為一種新型的綠色能源，被廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)與生活之中。在第三次工業(yè)革命后，電能得到了高速發(fā)展，其在利用率以及性能方面取得了較大的提升[1]。伴隨著多種大型數(shù)字集中電路設(shè)計(jì)技術(shù)的誕生，新的電路結(jié)構(gòu)與控制設(shè)備不斷被研發(fā)并應(yīng)用到實(shí)際生活中，這得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展。在對(duì)大量的文獻(xiàn)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，所謂的電力電子技術(shù)是一種將電力電子器件作為載體，對(duì)電能進(jìn)行控制、利用，從而達(dá)到提升電力系統(tǒng)控制能力與傳輸能力的技術(shù)[2]。此技術(shù)誕生于上世紀(jì)50年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前其已應(yīng)用到電能變換的多個(gè)領(lǐng)域，其理論內(nèi)容逐漸成熟。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，為了降低電力污染率，人們開始研發(fā)電力濾波器、電平轉(zhuǎn)化器等設(shè)備，希望此部分設(shè)備能夠在盡可能高的開關(guān)頻率下，使電網(wǎng)中電力信號(hào)達(dá)到多個(gè)行業(yè)對(duì)電壓的應(yīng)用要求。

正是由于自動(dòng)化多電平轉(zhuǎn)化器逐漸得到社會(huì)各界的重視，使得多電平變換器的控制技術(shù)具有重要意義。目前，為保證多電平轉(zhuǎn)換器在實(shí)際工作中具有穩(wěn)定性，多采用交錯(cuò)技術(shù)對(duì)變換器的各個(gè)開關(guān)進(jìn)行控制，但此控制方法存在一定的缺陷，過于依賴控制參數(shù)。在電力系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，控制系數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，使電平變換器的控制性能大大下降，無法完成異常信號(hào)的跟蹤與控制[3]。針對(duì)此問題，在本次研究中提出了一種電力電子混合式隔離型的自動(dòng)化多電平變換器，將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代電力設(shè)備緊密結(jié)合，為電力系統(tǒng)控制設(shè)備的研發(fā)提供幫助。

1 自動(dòng)化多電平變換器硬件設(shè)計(jì)

本次研究中，為將電力電子技術(shù)應(yīng)用到自動(dòng)化多電平變換器的設(shè)計(jì)之中，需要首先對(duì)變換器的硬件組成部分展開優(yōu)化，優(yōu)化后硬件框架如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化多電平變換器硬件框架

根據(jù)上圖設(shè)計(jì)結(jié)果，對(duì)變換器內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，并將其組裝為新型電平變換器的硬件構(gòu)架，并將其作為電力電子技術(shù)的實(shí)施平臺(tái)。

1.1 功率器件優(yōu)化設(shè)計(jì)

功率器件對(duì)于自動(dòng)化多電平變換器的使用效果具有直接影響，其額定電壓、電流等參數(shù)均需要慎重考慮。在本次研究中，將IGBT作為本次研究?jī)?yōu)化內(nèi)容的主體，此器件由雙極型三極管以及絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管兩部分組成，其具有開關(guān)靈活、應(yīng)用穩(wěn)定性高以及驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)多種IGBT模塊進(jìn)行分析后，選擇SKM100GB12T4型號(hào)作為本次研究中使用的IGBT模塊，設(shè)定其最大射極之間的電壓為1000V，最大集電極為200A，內(nèi)部整體電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖2所示，IGBT模塊由兩個(gè)開關(guān)管與一個(gè)橋臂組成。每個(gè)開關(guān)管并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，在電路中起到續(xù)流保護(hù)作用。在對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定后，根據(jù)IGBT模塊設(shè)計(jì)結(jié)果，選擇模塊驅(qū)動(dòng)器。通過文獻(xiàn)分析可知，驅(qū)動(dòng)器是連接變換器與電力系統(tǒng)電路連接的主要橋梁，起到隔離的作用。根據(jù)已選擇的IGBT模塊，將驅(qū)動(dòng)器型號(hào)設(shè)定為2SP0115T，此驅(qū)動(dòng)器具有安裝便利的優(yōu)點(diǎn)。將驅(qū)動(dòng)器與IGBT模塊的電阻型號(hào)進(jìn)行匹配，并按照相應(yīng)的位置進(jìn)行焊接，完成功率器件優(yōu)化過程。

圖2 IGBT模塊內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

1.2 信號(hào)采樣調(diào)理電路優(yōu)化

根據(jù)功率器件優(yōu)化結(jié)果，對(duì)電力信號(hào)采樣調(diào)理電路展開優(yōu)化，優(yōu)化后電路組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號(hào)采樣調(diào)理電路結(jié)構(gòu)

在信號(hào)采樣調(diào)理電路中安裝霍爾采樣器，對(duì)流經(jīng)的電容電壓進(jìn)行采樣分析，并在電路的輸出端口增加穩(wěn)壓幅度，保護(hù)系統(tǒng)中的AD電路。在AD電路中對(duì)獲取到的電力信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而后對(duì)其進(jìn)行分析。在本次研究中將霍爾采樣頻率設(shè)定為L(zhǎng)V-25P，其可對(duì)高壓交直流電壓進(jìn)行采集，滿足電力電子技術(shù)的使用要求。將此采樣器安裝到信號(hào)采樣調(diào)理電路中，完成其性能優(yōu)化過程。

2 自動(dòng)化多電平變換器軟件設(shè)計(jì)

2.1 短路電流快速檢測(cè)模塊設(shè)定

在以往多電平變換器的使用過程中，由于信號(hào)區(qū)分性能較差，影響到了變換器隔離的速度以及可靠性。針對(duì)此文中，在本次研究中使用小波變換技術(shù)[4]，為非穩(wěn)定性信號(hào)的分析提供強(qiáng)有力的支撐。設(shè)定電力系統(tǒng)中存在小波函數(shù)，其滿足下述條件：

將ε(t)視作基本小波函數(shù)，在此函數(shù)中引入g，h對(duì)函數(shù)ε(t)進(jìn)行伸縮與平移，得到小波函數(shù)：

其中，g表示尺度因子；h表示平移因子。對(duì)于電力系統(tǒng)中任意一個(gè)信號(hào)f，其小波變換定義可表示為：

其中，'表示復(fù)共軛；t表示時(shí)間；〈f（t），εg，h（t）〉表示待分析的信號(hào)以及小波函數(shù)的內(nèi)積。在本次研究中將主要利用小波函數(shù)的時(shí)域性質(zhì)完成電力信號(hào)的檢測(cè)。從上述公式可以看出，小波函數(shù)尺度的倒數(shù)-與變換頻率ε具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。簡(jiǎn)而言之，變換尺度越大，變換頻率越低；變換尺度越小，變換頻率越高。此原理符合電力信號(hào)的變化趨勢(shì)，使用此原理可分析突變信號(hào)。

在信號(hào)檢測(cè)過程中，需要將一維信號(hào)f（t）轉(zhuǎn)換為二維信號(hào)Ef（t）后會(huì)出現(xiàn)信息冗余，為避免在計(jì)算過程中出現(xiàn)信息丟失的問題，對(duì)信號(hào)的位移進(jìn)行離散處理。并得到電力系統(tǒng)的異常信號(hào)，此類信號(hào)模式設(shè)定為：

2.2 電流緩沖混合式隔離保護(hù)模塊設(shè)定

根據(jù)上述模塊處理完成的電力信號(hào)，構(gòu)建電流緩沖隔離保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)變換器的基本性能以及信號(hào)隔離設(shè)計(jì)目標(biāo)。此模塊將主要對(duì)變換器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體內(nèi)容設(shè)定如下。

1）緩沖電路參數(shù)：設(shè)定Ci為緩沖電容；Ui表示低電壓；電壓上升峰值設(shè)定為Umax；母線寄生電感設(shè)定為Ki；潮涌電壓設(shè)定為KiI2/2，其可被緩沖電容完全吸收，則有：

其中，I表示多電平變換器工作電流峰值；△U2表示獲取異常電力信號(hào)后上升的電壓峰值。假設(shè)△U2具有相應(yīng)的數(shù)值，且Ki為已知數(shù)據(jù)，則Ci可表示為：

根據(jù)上述公式，對(duì)模塊中的緩沖電路進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)，并在其中安裝電感小的無感電容[5]，使其靠近IGBT模塊。

2）緩沖電阻：根據(jù)式(4)～式(5)推導(dǎo)可得出緩沖電阻數(shù)學(xué)表達(dá)式：

此電阻功率設(shè)定為Pi，則有：

充電緩沖電路：

放電阻止型緩沖電路：

上述公式中，v表示緩沖電路中的開關(guān)頻率。在獲取異常電力信號(hào)后，根據(jù)上述公式調(diào)節(jié)IGBT模塊，控制變換器橋臂之間的電流之和。同時(shí)，使用橋臂電流跟蹤異常信號(hào)，控制MMC兩端網(wǎng)側(cè)電流，對(duì)異常電力信號(hào)與控制信號(hào)進(jìn)行隔離處理。將文中優(yōu)化的硬件框架以及軟件模塊優(yōu)化結(jié)果相結(jié)合，至此，電力電子混合式隔離型的自動(dòng)化多電平變換器設(shè)計(jì)完成。

3 多電平變換器應(yīng)用測(cè)試分析

在本次研究中，研發(fā)了一種電力電子混合式隔離型的自動(dòng)化多電平變換器，為證實(shí)此變換器具有相應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值，構(gòu)建應(yīng)用測(cè)試環(huán)節(jié)對(duì)其使用效果加以分析。

3.1 多電平變換器仿真測(cè)試

由于多電平變換器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其調(diào)制過程操作環(huán)節(jié)較多，為了控制測(cè)試效率與難度，在本次研究中進(jìn)行半實(shí)物仿真，調(diào)試文中研發(fā)的多電平變換器是否具有可行性。

電容電壓平衡是多電平變換器的關(guān)鍵，當(dāng)兩者失去平衡時(shí)，變換器無法完成工作。本次測(cè)試中，為確定電容電壓之間的平衡性，將測(cè)試環(huán)境設(shè)定為變換器啟動(dòng)、變換器突然加載以及變換器突然關(guān)閉3部分，所得測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 多電平變換器半實(shí)物仿真測(cè)試結(jié)果

對(duì)上圖進(jìn)行分析可以看出，圖4(a)表示電壓變化；圖4(b)為電流變化。當(dāng)測(cè)試環(huán)境為突然開始時(shí)，變換器啟電壓已經(jīng)趨于峰值。由此可知，變換器啟動(dòng)后，其內(nèi)部的電容電壓可以實(shí)現(xiàn)快速控制，并達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)變換器處在突然加載后，其電壓與電流在較短的時(shí)間內(nèi)均可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)變換器處在突然關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電容電壓以及橋臂電流波形，此狀態(tài)下電壓、電流均為恒定數(shù)值且具有穩(wěn)定性，同時(shí)橋臂電流變化無功增加。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，文中研發(fā)變換器的電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力較好，驗(yàn)證了此設(shè)備研發(fā)結(jié)果的可行性。

3.2 自動(dòng)化多電平交換器背靠背測(cè)試

背靠背測(cè)試是驗(yàn)證自動(dòng)化多電平交換器具有隔離能力的重要方式，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)定圖如圖5所示。

圖5 背靠背測(cè)試平臺(tái)

基于此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到多電平交換器的電流異常信號(hào)跟蹤與隔離性能分析結(jié)果。本次測(cè)試環(huán)境設(shè)定為變換器并網(wǎng)工作環(huán)境，本次實(shí)驗(yàn)中無需考慮其他外界因素，僅對(duì)電壓電流穩(wěn)定性以及電流異常信號(hào)跟蹤與隔離性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 背靠背動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

由文獻(xiàn)分析可知，多電平變換器可以進(jìn)行四象限運(yùn)行，因此背靠背測(cè)試中，此設(shè)備的整流與逆流功能可進(jìn)行互換。測(cè)試結(jié)果表明，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，變換器兩側(cè)功能發(fā)生互換后，流經(jīng)電力系統(tǒng)的電流在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，但變換器整體運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，并為發(fā)生較大波動(dòng)。整個(gè)動(dòng)態(tài)變換過程較短，電力系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)，說明變換器的動(dòng)態(tài)性能較為穩(wěn)定，證實(shí)了變換器的科學(xué)性。

與此同時(shí)，在變換過程中出現(xiàn)了部分波動(dòng)信號(hào)，變換器中的短路電流快速檢測(cè)模塊對(duì)其進(jìn)行了快速的檢測(cè)與采集，并對(duì)其部分電流信號(hào)進(jìn)行了隔離處理，保證了變換器運(yùn)行過程中，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合上述測(cè)試結(jié)果可知，文中研發(fā)的新型多電平變換器具有較高的穩(wěn)定運(yùn)行控制能力以及信號(hào)捕捉能力，使用此變換器可有效提升電力系統(tǒng)的安全性。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析與討論

本次測(cè)試首先在半實(shí)物仿真的基礎(chǔ)上對(duì)變換器的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并得到了部分測(cè)試結(jié)果，然后利用獲取到的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了背靠背測(cè)試，對(duì)變換器的電壓電流穩(wěn)定性以及電流異常信號(hào)跟蹤與隔離性能進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到了最終的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明，多電平變換器軟硬件功能穩(wěn)定，電流電壓平衡控制與異常電力信號(hào)跟蹤控制效果良好，證實(shí)了文中研發(fā)的電力電子混合式隔離型的自動(dòng)化多電平變換器具有科學(xué)性，為后續(xù)的電力電子技術(shù)的應(yīng)用提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

電力電子技術(shù)是一門發(fā)展速度較快的新興技術(shù)，將其應(yīng)用到電子器件的設(shè)計(jì)中可有效提升器件的控制能力。使用此技術(shù)設(shè)計(jì)電平變換器可以有效彌補(bǔ)當(dāng)前變換器的不足，實(shí)現(xiàn)異常電流的隔離處理，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，推動(dòng)電力技術(shù)智能化發(fā)展。

4 結(jié)語

環(huán)境與能源作為影響人類社會(huì)發(fā)展的重要議題得到了人們的重視，由于我國(guó)長(zhǎng)期以來礦產(chǎn)能源為工業(yè)以及多種行業(yè)提供動(dòng)力，導(dǎo)致環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重，可再生能源發(fā)電以及輸電技術(shù)的高速發(fā)展為多電平變換器的研發(fā)提供了可能。多電平變換器具有較高的諧波輸出能力在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本次研究中，在當(dāng)前多電平變換器的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種依托于電力電子技術(shù)的可進(jìn)行信號(hào)隔離的新型變換器，此變換器可以彌補(bǔ)當(dāng)前變換器的不足。在此變化器的設(shè)計(jì)中存在部分問題，在日后的研究中還需對(duì)其進(jìn)行完善。