基于单管IGBT的SVG功率单元系统

董召阵

（上海轨道交通设备发展有限公司，上海 201111）

0 引言

静止无功发生器SVG（Static Var Generator）是使用电力电子半导体器件IGBT实现换流来实现对无功功率的调节的,是一种兼顾补偿成本与补偿效果的采用有源电力电子技术的装置。国家电网公司对企业作出了规定，在35～110kV系统上功率因数不小于0.95,10kV系统功率因数不小于0.9。安装在电网中的SVG装置[1]，对检测到的系统中所含的无功功率补偿反相位、等大小的无功功率，使电网中的无功功率流动减少了，可以降低变压器和输电线路因输送无功功率而造成的电能损耗，有效提高了电网的功率因数、减少线损、改善电能质量、实现节能降耗的社会经济价值[2]。

1 功率单元系统介绍

单管IGBT的功率单元，其I型三电平结构可以由单管独立实现，也可以由多个单管并联实现，基于SVG装置输出功率等级的要求，适当配置I型三电平拓扑结构相应位置的单管数量。功率单元也有三个单项H桥型组成的拓扑结构用于SVG装置，基于装置输出功率等级的要求，适当配置H桥型拓扑结构相应位置的单管数量。SVG装置实时跟踪补偿无功功率、谐波电流，可以迅速动态地对电网中电流进行连续调节，弥补了电容阶梯补偿的缺点，同时又降低了补偿成本。由于其数字化特性，这些功能的使用，传统上用户可能需要购买几个设备来达到电能质量治理的目的，而该装置通过组合使用，在容量范围内，可以同时解决用户的需求，提高了利用率，节约了成本。

1.1 功率单元组成

功率单元主要由IGBT器件、电解电容滤波器件、PCB电路板、IGBT驱动电路、固定钣金和散热器等组成，其他组件有陶瓷绝缘片、均压电阻等。

参照I型三电平IGBT模块的内部电路结构进行设计，单管IGBT功率模组每相的功率器件共有6个，4个单管IGBT以及2个钳位二极管，图 1为其电路结构。单项H桥型单管IGBT功率模组每相的功率器件共有4个单管IGBT，图 2为其电路结构。

图1 I 型IGBT 模块电路拓扑结构

图2 H 桥型单管IGBT 电路拓扑结构

1.2 功率器件散热

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），绝缘栅双极型晶体管，是由MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）和BJT（Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点，广泛应用在电力电子装置、变频器、UPS不间断电源等设备上。单管IGBT的优势主要是成本较低且在布局上具有一定的灵活性，根据产品的特性设计不同的结构布局，从而满足各种场合设备的应用。

SVG装置的设计要求是小体积、轻质量、少线束、安装便捷、结构紧凑和提高功率密度等。功率器件散热设计是需要考虑的重点[3]。主要措施包括：

功率单元一般使用层叠结构，通过合理的布局优化风道设计，采用风冷降温。

散热器结构设计：IGBT单管平放背贴固定在散热器上；IGBT单管竖插件背贴固定在散热器上。散热器的结构、尺寸大小、固定方式和风冷散热等因数需要综合考虑。

绝缘散热选择陶瓷绝缘片：导热系数高达28.9W/(m-K)，在功率器件散热要求非常苛刻的条件下得到了广泛的应用。陶瓷绝缘片有较好的特性：耐磨损、抗腐蚀、击穿电压强度（15kV/mm）和允许在温度高达1600℃下使用等。

导热胶：有助于功率器件、陶瓷绝缘片和散热器之间的贴合。

螺钉固定：IGBT单管用螺钉紧固，电动工具预设扭力值为：6.5±1kg.cm，电动工具的扭力大小测定需要借助扭力测试仪。

单管IGBT功率回路电路设计：换流回路电路设计尽可能短，在环境最高温时可以长期满载电流工作，PCB板铜皮有合适的载流能力。

单管IGBT和钳位二极管：PCB板上器件的焊接孔周边加一些小过孔，增强电流载流能力，增强散热能力。

1.3 功率器件应力评估

在双脉冲测试平台上，按照双脉冲测试规范，测试SVG功率单元的IGBT管的电压应力[4]，记录测试波形和测试数据。

在图1中，I型三电平拓扑结构中T2和T3管是在长换流回路电路中，电压尖峰值一般较高，能反应测试极大值。对于额定电压650V的IGBT单管，要留有较大的电压裕量。

图3 T2 管测试波形

表1 T2 管测试数据

4 - Ic MAX：双脉冲测试波形读取电流实测值

2 控制策略

三相不平衡混合补偿治理装置主要组成包括检测部分和电流环输出部分。检测部分Identifier模块负责无功谐波及不平衡的检测，其中无功和不平衡检测使用Fir滤波器实现，谐波检测可以使用智能FFT算法。电流环部分采用Kp作为电流内环，提高电流环的响应速度，adaline作为电流外环，实现无静差跟踪，双环控制策略减小了输出稳态误差[5]。系统控制流程图如图4所示：在图4中,iLOAD为负载电流，iREF为经过检测模块后输出的参考电流，iF为系统的反馈电流，G(z)为离散化的系统开环输出响应，为LCL的开环响应。Kp为提高开环增益输出，adaline为电流外环，提供无静差跟踪，d(z)为扰动。假设iREF为100A的无功电流参考值，当前反馈电流为零，则误差值为100，输入到电流内环提供瞬时响应，设t1时刻，反馈电流为80A，由于Kp提供的带宽有限，则存在20A的误差，此时adaline对误差进行积分，其输出到电流内环，提高电流内环对静态误差的跟踪能力，直到输出达到目标值。

图4 系统控制流程图

3 LCL滤波器的设计

三相不平衡混合补偿治理装置采用SPWM调制的逆变输出方式，设定功率器件在较高的开关频率下工作，其逆变输出电压中含有丰富的高次谐波，这些高次谐波主要位于开关频率附近及开关频率的倍数。为了防止逆变器桥臂的直通，桥臂互补对管的开通和关断设置了死区，这对输出电压的波形产生不利的影响，输出电压波形稳态偏离工频理想正弦波形带来了更多的谐波。装置内产生的谐波会对电网造成二次污染,因此需要设计一个滤波器来滤除开关频率处谐波，同时考虑到增强型无功补偿装置有高次波输出，所以LCL滤波器设计要能保证输出的高次波通过但是开关频率处的高次谐波得到抑制。

经以上分析和注意事项，单管IGBT地SVG装置经过电抗器并联在电网上，可以实现补偿效果。系统补偿效果图如图5所示：

图5 补偿效果图

SVG装置经过整体优化设计，在实现补偿效果的同时，达到降低成本的要求。

4 结语

综上所述，单管IGBT地SVG装置可以实现补偿效果并达到优化降低成本的要求。SVG装置要稳定、可靠、有效工作，要适应现场工作状况要求和应用指标要求。SVG装置的设计要求，一方面是小体积、轻质量、少线束、安装便捷、结构紧凑和提高功率密度等；另一方面是在设定高温环境下可长期稳定满载工作、过温过流过压等异常状态保护、待机功耗低和性价比高等设计要求。基于单管IGBT功率单元的组成、散热、功能分析和成本较低且在布局上灵活的特点，SVG装置功率单元单管化、输出功率等级产品系列化是符合发展趋势的。