電力電子混合式隔離型的自動化多電平變換器設計

杜 洋

（山東職業(yè)學院，濟南 250104）

0 引言

能源是社會發(fā)展進步的首要推動力，更是經(jīng)濟結(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)字集中電路設計技術(shù)的誕生，新的電路結(jié)構(gòu)與控制設備不斷被研發(fā)并應用到實際生活中，這得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展。在對大量的文獻進行分析后發(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，對電能進行控制、利用，從而達到提升電力系統(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50年代，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前其已應用到電能變換的多個領(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)化器等設備，希望此部分設備能夠在盡可能高的開關(guān)頻率下，使電網(wǎng)中電力信號達到多個行業(yè)對電壓的應用要求。

正是由于自動化多電平轉(zhuǎn)化器逐漸得到社會各界的重視，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)換器在實際工作中具有穩(wěn)定性，多采用交錯技術(shù)對變換器的各個開關(guān)進行控制，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)擾動時，控制系數(shù)就會發(fā)生變化，使電平變換器的控制性能大大下降，無法完成異常信號的跟蹤與控制[3]。針對此問題，在本次研究中提出了一種電力電子混合式隔離型的自動化多電平變換器，將電力電子技術(shù)與現(xiàn)代電力設備緊密結(jié)合，為電力系統(tǒng)控制設備的研發(fā)提供幫助。

1 自動化多電平變換器硬件設計

本次研究中，為將電力電子技術(shù)應用到自動化多電平變換器的設計之中，需要首先對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 自動化多電平變換器硬件框架

根據(jù)上圖設計結(jié)果，對變換器內(nèi)部構(gòu)件進行優(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)的實施平臺。

1.1 功率器件優(yōu)化設計

功率器件對于自動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作為本次研究優(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效應管兩部分組成，其具有開關(guān)靈活、應用穩(wěn)定性高以及驅(qū)動簡單的優(yōu)點。在對多種IGBT模塊進行分析后，選擇SKM100GB12T4型號作為本次研究中使用的IGBT模塊，設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模塊由兩個開關(guān)管與一個橋臂組成。每個開關(guān)管并聯(lián)一個續(xù)流二極管，在電路中起到續(xù)流保護作用。在對此結(jié)構(gòu)進行設定后，根據(jù)IGBT模塊設計結(jié)果，選擇模塊驅(qū)動器。通過文獻分析可知，驅(qū)動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)動器型號設定為2SP0115T，此驅(qū)動器具有安裝便利的優(yōu)點。將驅(qū)動器與IGBT模塊的電阻型號進行匹配，并按照相應的位置進行焊接，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 信號采樣調(diào)理電路優(yōu)化

根據(jù)功率器件優(yōu)化結(jié)果，對電力信號采樣調(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 信號采樣調(diào)理電路結(jié)構(gòu)

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

2 自動化多電平變換器軟件設計

2.1 短路電流快速檢測模塊設定

在以往多電平變換器的使用過程中，由于信號區(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)定性信號的分析提供強有力的支撐。設定電力系統(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對函數(shù)ε(t)進行伸縮與平移，得到小波函數(shù)：

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

其中，'表示復共軛；t表示時間；〈f（t），εg，h（t）〉表示待分析的信號以及小波函數(shù)的內(nèi)積。在本次研究中將主要利用小波函數(shù)的時域性質(zhì)完成電力信號的檢測。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具有對應關(guān)系。簡而言之，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的變化趨勢，使用此原理可分析突變信號。

在信號檢測過程中，需要將一維信號f（t）轉(zhuǎn)換為二維信號Ef（t）后會出現(xiàn)信息冗余，為避免在計算過程中出現(xiàn)信息丟失的問題，對信號的位移進行離散處理。并得到電力系統(tǒng)的異常信號，此類信號模式設定為：

2.2 電流緩沖混合式隔離保護模塊設定

根據(jù)上述模塊處理完成的電力信號，構(gòu)建電流緩沖隔離保護模塊，實現(xiàn)變換器的基本性能以及信號隔離設計目標。此模塊將主要對變換器的相關(guān)參數(shù)進行設定，具體內(nèi)容設定如下。

1）緩沖電路參數(shù)：設定Ci為緩沖電容；Ui表示低電壓；電壓上升峰值設定為Umax；母線寄生電感設定為Ki；潮涌電壓設定為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后上升的電壓峰值。假設△U2具有相應的數(shù)值，且Ki為已知數(shù)據(jù)，則Ci可表示為：

根據(jù)上述公式，對模塊中的緩沖電路進行整體性設計，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)推導可得出緩沖電阻數(shù)學表達式：

此電阻功率設定為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，使用橋臂電流跟蹤異常信號，控制MMC兩端網(wǎng)側(cè)電流，對異常電力信號與控制信號進行隔離處理。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化多電平變換器設計完成。

3 多電平變換器應用測試分析

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化多電平變換器，為證實此變換器具有相應的應用價值，構(gòu)建應用測試環(huán)節(jié)對其使用效果加以分析。

3.1 多電平變換器仿真測試

由于多電平變換器結(jié)構(gòu)較為復雜，其調(diào)制過程操作環(huán)節(jié)較多，為了控制測試效率與難度，在本次研究中進行半實物仿真，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，當兩者失去平衡時，變換器無法完成工作。本次測試中，為確定電容電壓之間的平衡性，將測試環(huán)境設定為變換器啟動、變換器突然加載以及變換器突然關(guān)閉3部分，所得測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 多電平變換器半實物仿真測試結(jié)果

對上圖進行分析可以看出，圖4(a)表示電壓變化；圖4(b)為電流變化。當測試環(huán)境為突然開始時，變換器啟電壓已經(jīng)趨于峰值。由此可知，變換器啟動后，其內(nèi)部的電容電壓可以實現(xiàn)快速控制，并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)。當變換器處在突然加載后，其電壓與電流在較短的時間內(nèi)均可達到穩(wěn)定狀態(tài)；當變換器處在突然關(guān)閉狀態(tài)時，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，同時橋臂電流變化無功增加。由此實驗結(jié)果可以看出，文中研發(fā)變換器的電壓動態(tài)調(diào)節(jié)能力較好，驗證了此設備研發(fā)結(jié)果的可行性。

3.2 自動化多電平交換器背靠背測試

背靠背測試是驗證自動化多電平交換器具有隔離能力的重要方式，實驗平臺結(jié)構(gòu)設定圖如圖5所示。

圖5 背靠背測試平臺

基于此實驗平臺，得到多電平交換器的電流異常信號跟蹤與隔離性能分析結(jié)果。本次測試環(huán)境設定為變換器并網(wǎng)工作環(huán)境，本次實驗中無需考慮其他外界因素，僅對電壓電流穩(wěn)定性以及電流異常信號跟蹤與隔離性能進行測試，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 背靠背動態(tài)測試結(jié)果

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

與此同時，在變換過程中出現(xiàn)了部分波動信號，變換器中的短路電流快速檢測模塊對其進行了快速的檢測與采集，并對其部分電流信號進行了隔離處理，保證了變換器運行過程中，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。綜合上述測試結(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)定運行控制能力以及信號捕捉能力，使用此變換器可有效提升電力系統(tǒng)的安全性。

3.3 測試結(jié)果分析與討論

本次測試首先在半實物仿真的基礎上對變換器的可行性進行了驗證，并得到了部分測試結(jié)果，然后利用獲取到的測試結(jié)果進行了背靠背測試，對變換器的電壓電流穩(wěn)定性以及電流異常信號跟蹤與隔離性能進行測試，達到了最終的測試結(jié)果，測試結(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跟蹤控制效果良好，證實了文中研發(fā)的電力電子混合式隔離型的自動化多電平變換器具有科學性，為后續(xù)的電力電子技術(shù)的應用提供寶貴的經(jīng)驗。

電力電子技術(shù)是一門發(fā)展速度較快的新興技術(shù)，將其應用到電子器件的設計中可有效提升器件的控制能力。使用此技術(shù)設計電平變換器可以有效彌補當前變換器的不足，實現(xiàn)異常電流的隔離處理，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，推動電力技術(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發(fā)展的重要議題得到了人們的重視，由于我國長期以來礦產(chǎn)能源為工業(yè)以及多種行業(yè)提供動力，導致環(huán)境污染越發(fā)嚴重，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領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本次研究中，在當前多電平變換器的基礎上，研發(fā)一種依托于電力電子技術(shù)的可進行信號隔離的新型變換器，此變換器可以彌補當前變換器的不足。在此變化器的設計中存在部分問題，在日后的研究中還需對其進行完善。