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)节能规划研讨院有限公司(北京 100052)
2.我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标准点评模型及其时空耦合性研讨”;国家质量监督查验检疫总局科技方案项目(编号：2016IK088)
徐杰彦(1973-)，男，硕士，高级工程师，研讨方向：电力体系及其自动化;冒咏秋，男，硕士，工程师，研讨方向：节能及新能源技能。
摘要：本文要点研讨了根据IGBT模块的电能质量类管理设备的能耗状况及节能途径。首要，对典型拓扑结构的SVG、APF、MEC在额外输出工况下的损耗特性进行了剖析，确认了首要耗能部分;随后，剖析了 IGBT模块能耗机理及降耗可行性途径;最终，总结呈现阶段国内根据IGBT模块的电能质量类管理设备下降本身作业能耗的要点改善方向。
导言
跟着电能代替战略的施行，电力需求的飞速添加将进一步加重传统电网中存在的电力供应稳定性缺乏、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作业，导致线路损耗增大，甚至会危及电网安全。跟着电力需求侧电能质量敏感性负荷的日益增多，电能质量问题发生的损害也越来越大。数据标明，电能质量问题导致企业用电本钱添加可达30%。跟着安全可靠、清洁高效的智能电网的建造，我国对进步电能质量、净化电网、进步电能运用功率的要求也日趋进步[6]。
现在，选用谐波按捺、无功补偿等技能手法处理供电电压误差、电力体系频率误差、三相电压不平衡、谐波按捺、电压动摇与闪变操控、电压暂降与短时间中止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能为中心手法来加以解决[7]，跟着电力电子技能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)等设备在无功补偿、滤除谐波等进步电能质量方面发挥出了杰出作用。但是，跟着电力电子器材开关频率的进步和开关容量的添加[8]，SVG、APF、MEC等电能质量类进步设备中运用的可关断大功率电子器材(如IGBT)作业时发生的电能损耗也急剧升高[9]。高电能损耗发生的热量既下降了设备全体电能运用功率，又或许因为散热才能的约束而下降设备功能，严峻时可危及设备安全，很多的研讨对此类损耗给予了高度重视[10-13]。
现在，已有的相关研讨文献[8-14]大部分仅重视可关断大功率电子器材(如IGBT)的损耗，罕见针对电力电子类电能质量进步设备能耗状况及能效进步办法的研讨。因而，有必要对电力电子类电能质量进步设备的全体作业损耗、要点耗能部位损耗及对应的能效进步手法进行体系性地研讨，以期为进步该类设备的能效水平供给有利的理论参阅。
1 根据IGBT模块的电能质量设备损耗剖析
1.1 结构组成
SVG、APF和MEC三者都归于有源电能质量操控设备，它们都是经过发生指定电流对配电网完成有源补偿，而操控其电能质量参数的。因而，SVG、APF、MEC三者具有类似的组成结构，如图1所示。图1给出了典型的并联型有源电能质量操控设备结构框图，该类型设备首要由操控体系、逆变主电路、输出滤波器等组成。操控体系是整个设备的操控中枢，逆变主电路是整个设备的补偿电流发生源，体系操控战略是该类设备的中心技能，也是不同类型产品间最首要差异之处。在不同的体系操控战略下，设备会输出不同的指定电流，这在SVG、APF和MEC三类设备上别离表现为：SVG能够输出一个与负荷无功电流反相位的特别补偿电流;APF能够输出一个与负荷谐波电流及基波无功电流反相位的特别补偿电流;MEC能够输出一个与负荷不平衡电流反相位的特别补偿电流源。图1中所示的逆变主电路首要为IGBT模块组，输出滤波器则首要为滤波电感及电容等。因而，在研讨SVG、APF、MEC等有源电能质量操控设备能耗时，将其划分为操控体系、逆变主电路(IGBT模块)和输出滤波器(滤波电感和电容)3个首要组成部分进行剖析。
1.2 损耗剖析
表1给出了额外输出工况下，各类电能质量操控设备的本身损耗状况，同容量的SVC与SVG比较，额外输出状况下，SVC总损耗较低，约占额外功率的1%左右。与以SVC为代表的传统无源器材比较，IGBT类电能质量操控设备的本身损耗均较高，在2.5%以上，特别关于APF，作为谐波发生器，需求的直流电压更高，所以，其IGBT的开关损耗和电感损耗均较SVG、MEC更高，可达3%。
在核算出各类设备本身作业总损耗的根底之上，进一步细化剖析各首要损耗部分的占比状况，如图2所示。能够看出，SVC与SVG及其他IGBT类电能质量操控设备损耗构成的不同在于不存在IGBT模块损耗，而关于具有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%，其他为操控体系部分及其他损耗，约5%。能够看出，IGBT类电能质量操控产品的两大首要损耗为IGBT模块损耗、滤波电感及%&&&&&%损耗，这两部分是下降设备本身作业损耗潜力的要点发掘目标。
2 IGBT模块损耗节能途径剖析
2.1 IGBT模块损耗构成
由1.2部分可知，根据IGBT模块的主回路损耗是SVG、APF、MEC等设备在作业状态下的首要损耗之一。IGBT模块的损耗首要源自于内部IGBT及二级管(续流FWD、整流芯片)的损耗，首要是IGBT和FWD发生的损耗[11]。在实践的电力电子改换设备中，设备的IGBT损耗、FWD损耗、总损耗有如下核算联系[15]：
IGBT总损耗：
(1)
FWD总损耗：
(2)
总损耗：
(3)
式中，Pl,s-on、Pl,s-off和Pl,s-st为第l个IGBT的均匀注册、关断和通态损耗;Pl,d-off和Pl,d-st别离为第l个FWDi的均匀关断和通态损耗。
进一步，第l个器材上IGBT的均匀注册、关断和通态损耗，可按如下公式核算：
