摘要:
大量分布式新能源接入配电系统后,其出力不确定性使配电网功率分布复杂,三相功率不平衡问题突出。目前国内主流的三相有源不平衡治理装置硬件受系统限制,无法从根本上解决发热和开关频率问题,而新型碳化硅宽禁带开关器具有耐压、低损耗等优势,可以有效应用于配网三相有源不平衡治理。因此,开展新型配网三相功率调节装置研究,首先提出了一种基于四辅助开关的谐振门极驱动电路,并针对桥臂串扰现象提出了一种新型多电平组合驱动电路。其次分析了碳化硅MOSFET开关振荡形成机理并提出了相应抑制方法。最后设计了基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置,给出了总体方案、硬件电路、软件程序设计方案,并通过基于所提方法研发的功率协调控制器实验样机挂网测试结果,验证了装置的有效性。
引言
大量分布式新能源接入配电系统后,其出力的不确定性使配网功率分布复杂,配网功率波动大、三相功率不平衡问题突出。目前,国内主流的三相有源不平衡治理装置硬件拓扑采用三相H桥结构或NPC(NeutralPointClamped)三电平结构,但是装置硬件设计和研究仍停留在第三代或第四代开关器件。受硬件系统限制,无法从根本上解决发热和开关频率问题。随着材料技术的发展,新型碳化硅宽禁带开关器件凭借高耐压、低损耗、高开关频率等优势,逐渐应用于电力电子变流器[。对应的,高性能器件也对硬件电路和系统控制提出了更高的要求,关于碳化硅器件的特性和使用场景研究也是当下的学术研究热点。目前,电动汽车、基站电源等对效率和功率密度要求高的场合,已基本实现了碳化硅设备对硅设备的全面取代,但是目前配网设备中,由于相关标准对效率和功率密度要求不高,相应厂家技术实力不足,鲜有碳化硅设备应用,因此本文开展新型配网三相功率调节装置研究,旨在设计一种新型功率协调控制装置以实现对三相功率协调控制,有效调高系统的平衡度,抑制电压超限,提高供电可靠性。
1、基于宽频带器件的高频驱动电路及桥臂串扰抑制方法的研究
1.1基于四辅助开关管的谐振门极高频驱动电路设计
基于四辅助开关管的谐振门极高频驱动电路设计中电感和电容电压关系有:
由式(9)可得驱动电路的驱动损耗。如图1所示,谐振/传统门极驱动损耗与频率的增加成正比,但是谐振门极驱动电路的损耗只有传统的一半大小。
1.2桥臂串扰抑制方法研究
本文创新性地提出如图2所示的新型多电平组合驱动电路,通过在传统电路的基础上增加二极管串联MOSFET支路产生0V驱动电压,以抑制电压串扰。图2中碳化硅MOSFET开通时门极电压从0V上升到VCC,具有较快的开通速度比。同时,新型多电平组合驱动电路仅在传统的负压驱动电路基础上增加了二极管和小功率MOSFET,易被集成到驱动芯片中。
2、碳化硅MOSFET开关振荡形成机理及抑制方法研究
漏源电压在碳化硅MOSFET换流过程结束后开始振荡,电路的激励源为进入振荡阶段时的漏极电流,母线、源极、漏极寄生电感近似等效为一个功率回路寄生电感。图3展示了碳化硅MOSFET关断电压振荡阶段简化等效电路图,保留了振荡过程的主要影响参数:功率回路寄生电感、栅漏寄生电容、栅极驱动电阻、栅源寄生电容。
碳化硅MOSFET关断电压的振荡经过等效后即为等效阻抗ZDS2在漏极电流作用下的响应,抑制器件关断电压过冲和电压振荡主要通过降低主功率回路寄生电感或降低器件的开关速度两种方式。同时,为了减小功率回路中存在的寄生电感,还需在直流侧电容和桥臂电路之间并联解耦电容,解除功率回路的部分寄生电感和桥臂电路之间的耦合,以减小功率回路寄生电感。
3、基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置设计
基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置是以碳化硅MOSFET为核心的集成化模块,本节按照顺序给出基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置总体设计方案、硬件电路设计方案、软件程序设计方案。
3.1、总体方案设计
对基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置进行总体方案设计,如图4所示。首先,电源电路为控制芯片FPGA,令控制信号经过驱动电路驱动碳化硅MOSFET的开通、关断。开通后,以直流270V电源、功率开关、负载、采样电路形成闭合回路,装置处于稳态工作状态。此时,采样电路信号分为三路:第一路信号经过短路保护电路检测装置短路情况,判断是否需要跳闸保护;第二路信号将短路检测状态信号传给FPGA;第三路通过AD转换模块转换为电路中的导通电流值用于实时监测与反时限过流保护。
3.2硬件电路方案
(1)电源方案。
碳化硅MOSFET使用负压关断方式,在驱动电压上升到18V左右时方可完全导通,故必须采用20V导通驱动电压,使用-5V、+20V输出电源方案。
(2)驱动电路方案。
碳化硅MOSFET需要较大的驱动电流,故驱动芯片需要产生大的输出电流,且输出时间应短于碳化硅MOSFET开关时间。
(3)隔离电路方案。
碳化硅MOSFET驱动易受干扰,需要保证控制电路与主回路之间良好的电气隔离,以防止功率级电路对控制信号的影响。本文选用高性能的双通道数字隔离器,具有8000V峰值隔离电压。
(4)MOSFET开关状态检测电路方案。
第一步,提取栅极电压信号,使其经过射极跟随器和光耦隔离器,避免检测电路的干扰。第二步,比较栅极信号和基准电压,获取开关状态。第三步,通过光耦输出将状态信号给控制芯片FPGA,并通过稳压管进行稳压,一方面可以隔离干扰,另一方面可以防止输出信号超过控制芯片最大输入电压。
(5)短路保护电路方案。
对比负载电流与基准信号,短路保护电路方案如图5所示。当负载电流大于基准信号时,装置自动关断。
(6)AD采集电路。
设计数模转换电路,实时监测负载电流。本文选用TLC549AD采集芯片,对芯片进行使能与片选,输入模拟信号与基准电压比较,经过8个时钟周期,转换为8bit串行数据传给FPGA进行处理。
3.3软件程序设计
(1)AD电流采集控制程序。
根据AD采集电路获取数字信号,由AD芯片传给FPGA。FPGA进行握手信号处理,检测到上升沿信号时,判断是否有片选信号,若有则握手成功。FPGA控制芯片时钟计数,每个周期为5μs,依次接收8个数字信号。
(2)数据处理程序。
为了避免采集数据的偶然性,需要对采集的数据进行求和后求平均值。具体数据处理流程如图6所示。将求和寄存器中的18个数值求和取平均值,避免采集误差,防止装置在工作过程中的误操作。
(3)可视化上位机方案。
本文设计上位机软件主要包括串口通信模块、指令模块、负载状态监测模块、电流波形绘制模块等,其组成结构如图7所示。其中串口通信模块由串口扫描模块与通信模块组成,串口通信功能采用NET平台中的SerialPort控件;通信模块要求FPGA输出端连接转串口芯片,通过标准RS-232协议与上位机实现通信;状态显示模块只需窗口控件即可实现状态显示,特别注意变量与窗口的一一对应关系即可;指令模块由输入控件实现,通过通信模块将控制信号发送给FPGA;电流波形绘制模块由NET平台的picturebox控件实现。
3.4装置应用结果
基于本文所提方法研发的功率协调控制器实验样机已在东部某供电公司10kV线路台区进行挂网测试。样机的现场照片如图8所示。
表1中展示了本文所提功率协调控制器实验样机挂网前后的电网功率变化。数据结果表明,功率协调控制装置可以实现对三相功率协调控制,有效调高系统的平衡度,抑制电压超限,提高了供电可靠性。
4、结语
本文首先设计了谐振门极驱动电路并通过实验验证了其可行性,该电路创新性在于其基于四辅助开关;针对桥臂串扰现象提出了一种新型多电平组合驱动电路。其次分析了碳化硅MOSFET开关振荡形成机理并提出了相应抑制方法。最后设计了基于宽禁带器件的新型配网三相功率调节装置,给出了总体方案、硬件电路、软件程序设计方案,并通过基于本文所提方法研发的功率协调控制器实验样机挂网测试结果,验证了装置的有效性。
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