基于IGBT模块的电能质量治理设备能耗状况及节能分析

作者/ 徐杰彦1 刘旸2 彭爱军2 陈征1 冒咏秋2 贾容达1 赵才溢2 杨曦1

1.国网(北京)节能设计研究院有限公司(北京 100052)

2.中国质量认证中心南京分中心(江苏 南京 210005)

*基金项目：国网节能服务有限公司科技项目“配电网多元设备节能潜力广域尺度评价模型及其时空耦合性研究”;国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(编号：2016IK088)

徐杰彦(1973-)，男，硕士，高级工程师，研究方向：电力系统及其自动化;冒咏秋，男，硕士，工程师，研究方向：节能及新能源技术。

摘要：本文重点研究了基于IGBT模块的电能质量类治理设备的能耗状况及节能路径。首先，对典型拓扑结构的SVG、APF、MEC在额定输出工况下的损耗特性进行了分析，确定了主要耗能部分;随后，分析了 IGBT模块能耗机理及降耗可行性路径;最后，总结出现阶段国内基于IGBT模块的电能质量类治理设备降低自身工作能耗的重点改进方向。

引言

　　随着电能替代战略的实施，电力需求的飞速增长将进一步加剧传统电网中存在的电力供应稳定性不足、低电压等电能质量问题^[5]。电能质量问题的存在可影响设备正常运转，导致线路损耗增大，甚至会危及电网安全。随着电力需求侧电能质量敏感性负荷的日益增多，电能质量问题产生的危害也越来越大。数据表明，电能质量问题导致企业用电成本增加可达30%。随着安全可靠、清洁高效的智能电网的建设，我国对提高电能质量、净化电网、提高电能利用效率的要求也日趋提高^[6]。

　　目前，采用谐波抑制、无功补偿等技术手段处理供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡、谐波抑制、电压波动与闪变控制、电压暂降与短时间中断的缓解等典型电能质量问题。普遍认为，电能质量问题只能以电力电子技术为核心手段来加以解决^[7]，随着电力电子技术和微处理器的迅速发展， SVC(Static Var Compensation Device) 、SVG(Static Var Generator)、APF(Active Power Filter)、MEC(Multifunction Electricity Controller & Optimizer)等装置在无功补偿、滤除谐波等提升电能质量方面发挥出了良好效果。然而，随着电力电子器件开关频率的提高和开关容量的增加^[8]，SVG、APF、MEC等电能质量类提升设备中使用的可关断大功率电子器件(如IGBT)工作时产生的电能损耗也急剧升高^[9]。高电能损耗产生的热量既降低了设备整体电能利用效率，又可能由于散热能力的限制而降低设备性能，严重时可危及设备安全，大量的研究对此类损耗给予了高度关注^[10-13]。

　　目前，已有的相关研究文献[8-14]大部分仅关注可关断大功率电子器件(如IGBT)的损耗，鲜见针对电力电子类电能质量提升装置能耗状况及能效提升方法的研究。因此，有必要对电力电子类电能质量提升装置的整体工作损耗、重点耗能部位损耗及对应的能效提升手段进行系统性地研究，以期为提升该类装置的能效水平提供有益的理论参考。

1 基于IGBT模块的电能质量设备损耗分析

1.1 结构组成

　　SVG、APF和MEC三者都属于有源电能质量控制装置，它们都是通过产生指定电流对配电网实现有源补偿，而控制其电能质量参数的。因此，SVG、APF、MEC三者具有相似的组成结构，如图1所示。图1给出了典型的并联型有源电能质量控制装置结构框图，该类型装置主要由控制系统、逆变主电路、输出滤波器等组成。控制系统是整个装置的控制中枢，逆变主电路是整个装置的补偿电流发生源，系统控制策略是该类装置的核心技术，也是不同类型产品间最主要差异之处。在不同的系统控制策略下，装置会输出不同的指定电流，这在SVG、APF和MEC三类设备上分别表现为：SVG可以输出一个与负荷无功电流反相位的特殊补偿电流;APF可以输出一个与负荷谐波电流及基波无功电流反相位的特殊补偿电流;MEC可以输出一个与负荷不平衡电流反相位的特殊补偿电流源。图1中所示的逆变主电路主要为IGBT模块组，输出滤波器则主要为滤波电感及电容等。因此，在研究SVG、APF、MEC等有源电能质量控制装置能耗时，将其划分为控制系统、逆变主电路(IGBT模块)和输出滤波器(滤波电感和电容)3个主要组成部分进行分析。

1.2 损耗分析

　　表1给出了额定输出工况下，各类电能质量控制设备的自身损耗情况，同容量的SVC与SVG相比，额定输出情况下，SVC总损耗较低，约占额定功率的1%左右。与以SVC为代表的传统无源器件相比，IGBT类电能质量控制设备的自身损耗均较高，在2.5%以上，尤其对于APF，作为谐波发生器，需要的直流电压更高，所以，其IGBT的开关损耗和电感损耗均较SVG、MEC更高，可达3%。

　　在计算出各类设备自身工作总损耗的基础之上，进一步细化分析各主要损耗部分的占比情况，如图2所示。可以看出，SVC与SVG及其他IGBT类电能质量控制设备损耗构成的差别在于不存在IGBT模块损耗，而对于具有IGBT模块的各类设备，IGBT模块的损耗占比总损耗最大约为50%，其次为滤波电感、电容损耗，约45%，其余为控制系统部分及其他损耗，约5%。可以看出，IGBT类电能质量控制产品的两大主要损耗为IGBT模块损耗、滤波电感及电容损耗，这两部分是降低设备自身工作损耗潜力的重点挖掘对象。

2 IGBT模块损耗节能路径分析

2.1 IGBT模块损耗构成

　　由1.2部分可知，基于IGBT模块的主回路损耗是SVG、APF、MEC等设备在工作状态下的主要损耗之一。IGBT模块的损耗主要源自于内部IGBT及二级管(续流FWD、整流芯片)的损耗，主要是IGBT和FWD产生的损耗[11]。在实际的电力电子变换装置中，装置的IGBT损耗、FWD损耗、总损耗有如下计算关系^[15]：

　　IGBT总损耗：

(1)

　　FWD总损耗：

(2)

　　总损耗：

(3)

　　式中，P_l,s-on、P_l,s-off和P_l,s-st为第l个IGBT的平均开通、关断和通态损耗;P_l,d-off和P_l,d-st分别为第l个FWD_i的平均关断和通态损耗。

　　进一步，第l个器件上IGBT的平均开通、关断和通态损耗，可按如下公式计算：