模块化三电平有源滤波器的研制

李守法， 刘文博

上海电气富士电机电气技术有限公司 上海 200070

1 课题背景

现代电力系统中用电负荷结构发生了较大变化，一方面，非线性不平衡负荷等影响电能质量问题的因素不断增加，对供电电能质量造成严重的干扰和污染；另一方面，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量及供电可靠性的要求越来越高。电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和对人类生产生活造成的损失也越来越大。谐波治理是电能质量的重要问题,谐波主要危害表现在以下方面[1-4]。

(1) 使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，不利于节能降耗。

(2) 谐波使电气设备产生机械振动、噪声与过电压，使变压器局部严重过热，影响各种电气设备的正常工作，大大增加了维护费用，造成大量的重复投资。

(3) 谐波问题导致无功补偿装置无法正常投运，从而使功率因数降低，增加企业运营成本。

(4) 传统的谐波治理装置存在自身无法克服的缺陷，且易加剧谐波影响，增加电能损耗。

有源滤波器(APF)在欧美国家已得到了广泛应用。在我国，电气化铁道及城市轨道交通、电力等行业，以及办公大楼、住宅小区、计算中心等市政工程都对APF有应用需求。

采用APF是目前治理谐波的主要手段。与无源滤波器相比，APF响应快，能够做到对变化的谐波电流动态跟踪补偿，也可抑制闪变和补偿无功，补偿方式灵活。国内专家学者对APF的算法和控制策略已进行了较为深入研究[5-10]。

笔者提出的三电平模块化APF具有设计成本低、装置体积小、运行可靠性高等特点。这一APF尝试采用电路板和铜螺柱相结合的方法取代功率电缆，使装置模块化设计成为现实，产业化前景广阔，社会与经济效益将十分可观。

2 拓扑结构

笔者采用的中点钳位型三电平APF装置主电路如图1所示，采用三相四线制模式，主要包括连接电抗、滤波电抗、阻容滤波回路及电子变换部分。电子变换部分为三电平脉宽调制(PWM)逆变器结构，分别用T1_B、T2_B、T3_B、T4_B、D1_B、D2_B、D3_B、D4_B、D5_B、D6_B表示B相绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管的位号。与普通二电平PWM逆变器相比，三电平PWM逆变器输出相电压电平数由2个增加到3个，电平幅值由整个直流母线电压降低为直流母线电压的1/2，输出电压变化率dv/dt也相应降低。在相同的开关频率下，采用三电平结构还可使输出波形有较大改善。

图1 三电平APF主电路

3 模块化三电平APF设计

3.1 模块化三电平APF样机

模块化设计基于产品小型化、低成本、可靠性高等需求因素。模块的通用性好，便于生产和维护。图2为一台60A、380V模块化三电平APF样机，其特点主要表现在以下3点。

图2 模块化三电平APF样机

(1) 一体化设计，硬件、电气、结构等多方面密切配合，各方面相互完全依赖。

(2) 工业化水平高，内部接线简洁，只有两组扁平电缆和一组连接线。驱动板直接与直流连接板焊接在一起，省去板卡之间的大量连线，避免接线错误及接触不良的问题，装配效率高。

(3) 采用电路板完成主回路的电气连接，取代大电流电缆，使产品尺寸大幅缩减。回路中的电力电容、电流霍尔元件和继电器焊接在高压、大电流功率板上是新的突破。

3.2 功率板

样机中除控制板、驱动板之外的三种板卡，按功能分为电抗板、直流板、交流板，其设计都需要满足大电流和高电压的要求，均称为功率板。三种板卡之间的连接通过若干铜螺柱和一根铜排实现。

直流板是功率板卡中较为复杂的一种板卡，设计时需要考虑的问题较多。由于直流板涉及储能电容器、IGBT模块、泄放电阻、吸收电容、风机电源转接及IGBT驱动板等强弱电综合布局，布板难度较大，存在较大的设计风险。

驱动脉冲信号经过一次电到达各驱动板受到干扰程度的大小没有现成经验可参考，如果干扰影响到驱动信号，将会使设备无法正常运行。板卡设计时优先考虑驱动信号的布局，通过对驱动信号线、电源、地网络的处理，使一次电对驱动信号的影响降到最小。

板卡工作中需要通过大电流，发热是不可避免的，而印制电路板对温升有严格要求。加大覆铜面积是有效解决发热的一种措施。由于板卡尺寸已经确定，并考虑一次电的爬电距离，加大覆铜面积只可能在有限的空间内完成。板卡设计时采用如下措施： 首先使功率电流通过板卡的顶层和底层，信号线布局在内层；其次在满足爬电距离的前提下，尽可能增大覆铜面积；再次多采用过孔将板卡内层的热量导出；最后印制电路板制板时采用添加铜厚的方式降低电流密度。图3为直流板实物图。

图3 直流板实物图

4 试验结果与分析

4.1 驱动信号及保护测试波形

样机采用英飞凌F3L150R07W2E3_B11/650V三电平IGBT模块，下面给出试验结果。

测试时以B相为例，在测试模式下，4只IGBT的驱动波形如图4所示。

图4 B相IGBT驱动信号波形

由图4可以看出，IGBT导通时驱动电平为+15V，关断时为-8V。驱动波形的电平逻辑完全符合设计要求。图5为B相IGBT故障时输出的信号波形，低电平有效，1.2s后自动复位，符合设计要求。A相、C相的波形不再给出。

图5 IGBT故障信号波形

4.2 关断过电压试验结果

关断过电压测试换流器在关断过电流时各功率半导体器件(包括IGBT、续流二极管和钳位二极管)上产生的电压尖峰，通过关断过电压测试，可确定三电平IGBT的主回路和缓冲吸收电容选型是否合理。基于中点钳位三电平APF拓扑结构特点，内管IGBT和续流二极管的关断过电压高于外管，限于篇幅，仅给出B相T3_B管及对应的续流二极管D3_B和钳位二极管D6_B关断过电压波形。

图6中蓝色为电压波形，红色为电流波形。由图6可以看出，3只管子的最大关断过电压为 576V，在选用的IGBT使用范围之内，验证了装置主回路参数设计的合理性。

图6 关断过电压测试波形

4.3 温升试验结果

温升是电力电子装置设计时必须考虑的问题，会直接影响装置运行的可靠性及寿命。铜螺柱和放电电阻直接与电路板连接，这些关键区域的温升直接影响电路板的运行环境。用热成像仪对这些区域进行实测，铜螺柱表面温度如图7所示，环境温度为17℃。稳定后测得的铜螺柱最高温度为44℃，温升为27K；放电电阻最高温度为50℃，温升为33K。

图7 铜螺柱表面温度测试结果

4.4 APF全响应时间

分别采用无功开环和无功闭环对APF的全响应时间进行测试，无功开环采用瞬时无功功率算法，无功闭环采用快速傅里叶算法。试验结果如图8所示，无功开环响应时间为6.35ms，无功闭环响应时间为43.95ms，无功闭环的稳态补偿效果更好。

5 结论

(1) 提出了基于模块化设计的三电平APF，并成功研制了一台60A、380V模块化三电平APF，已进入产品生产实施阶段。

(2) 解决了传统谐波治理装置存在的问题和不足，大大缩小了产品体积，降低产品成本；产品可靠性高，补偿效果好，响应时间极快；产品工业化程度高，便于维护和广泛推广，产业化前景广阔，社会与经济效益可观。

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