基于SiC功率器件的接地电流全补偿系统的补偿性能影响因素分析

贾晨曦 仇新宇 陈玉麟

（江苏建筑职业技术学院机电工程学院，江苏徐州221116）

0 引言

随着电力电子技术的发展，对接地故障电流的处理已经由使用传统的消弧线圈发展为使用能对接地残流进行全补偿的接地电流全补偿系统[1-2]。近年来，微电网技术及清洁能源应用广泛[3]。对于多类型非线性负荷及电缆线路，或小范围分布式发电系统，接地残流的补偿显得更为重要[4]。现代电网的保护功能要求与控制功能相结合，控制策略要求最优化，信息采集要求广域化，保护控制功能要求集成化，接地电流全补偿系统若仍采用常规的功率器件则无法满足上述要求。此外，现代电网对过流、过压、过温等保护装置的要求也在不断提高。因此，为保证电网运行的安全和可靠，迫切需要寻求更适合在高压、高频、高功率密度和低损耗条件下应用的功率器件。

SiC功率器件可应用于中压电网，不必采用复杂的电路拓扑就能够解决电力电子装置器件性能制约的问题[5-6]。考虑到SiC功率器件对接地电流全补偿系统的影响，对接地残流的检测和主从结构的耦合控制的研究不应停留在系统拓扑结构与算法上，而应该从现代电网环境和新型功率器件特性的角度去分析。

本文结合煤矿电网的实际检测，从电压尖峰、开关振荡、串扰、谐波分析、器件封装及PCB布局优化等方面，对基于SiC功率器件的接地电流全补偿系统补偿性能的影响因素进行了分析。

1 接地电流全补偿系统存在的问题与SiC器件应用的必要性

接地电流全补偿系统结构的本质是传统消弧线圈与残流补偿模块的并联。消弧线圈可以为系统提供能中和接地电容电流的电感电流。残流补偿模块由电力电子开关器件构成，检测、生成并向系统输送补偿电流，即反向接地残流。

从目前已有的成果可知，对于接地电流全补偿系统研究的问题主要存在于以下几方面：

（1）从电网发展的长远角度考虑，几乎所有中性点经消弧线圈接地系统都需要对消弧线圈进行替换或扩充容量改造，或者增设接地。这带来了用电可靠性问题，也受经济成本制约，已成为一个需要妥善解决的突出问题。

（2）接地残流中高次谐波分量不容忽视。根据残流特征，残流补偿模块需要求电力电子器件工作在高频状态下，SiC功率器件已不能满足其要求。

（3）由于传统消弧线圈与残流补偿模块两个子系统的补偿目标与控制方法相互独立并且各具一定的针对性，需要重点考虑其同步、自动协调控制及驱动问题。同时，为了实现系统子模块间较高的同步控制精度，对其间功率与控制交互的均衡进行优化，需要在主从式控制方法上寻求突破。

基于SiC功率器件的接地残流补偿模块如图1所示。SiC器件更高的功率密度意味着可以实现设备的轻量化和紧凑化，降低系统的安装和维护成本，达到能方便地替换和扩充容量改造的目的。另一方面，使用SiC器件可以提升开关频率，大大提高系统的整体效率，减少温度循环，提高设备工作可靠性和寿命。SiC器件的临界场强高意味着其具备更高的耐压性能。发生单相接地故障的瞬间，接地故障点的电流很大，热效应和动力效应的破坏性也很大，电容电流的全补偿会存在电压过高的风险，SiC器件的使用可以一定程度上缓解这种压力。

图1 基于SiC功率器件的接地残流补偿模块

2 接地电流全补偿系统补偿性能影响因素分析

SiCMOSFET的诸多特性为其在接地电流全补偿系统中的应用带来了问题，对关键影响因素的分析如下。

2.1 电压尖峰、开关振荡及串扰

高次谐波分量使SiC器件开关速度非常快，由于SiC器件电容较小，因此在开关过程中会出现比较高的电流和电压变化率。SiC器件对主电路的寄生参数非常敏感，器件两端将会出现强烈的电压和电流过冲，开关振荡也非常严重。寄生参数主要对残流补偿模块的驱动回路、功率回路和换流回路产生影响，所以需要寻求低寄生电感的SiC器件封装以及母线和电容设计方案。同时，互补导通器件的米勒电容会造成耦合干扰，加剧开通瞬态同一桥臂上下器件的串扰效应，采用栅极负偏压的方法只能在一定程度上起到缓解作用。合理的栅极控制回路可以使电压尖峰、开关振荡及串扰的调节更为理想，使RG、CG和VG三个控制量在开关过程中动态的变化始终维持在协同配合的最优值。

2.2 谐波分析

接地故障发生后，接地电流中含有谐波分量，且以某些特定高频谐波较为显著。由于对地电容会造成谐波幅值增加，谐波电压的频率决定了在接地点处的谐波电流幅值。接地电流中特定高次谐波电流分量是电网母线特定高次谐波电压的畸变所造成的，而母线特定高次谐波电压的畸变受下级负荷变化影响不大。图2中，2#主变在测试过程中有一段时间处于检修状态，即6kVⅡ段母线上没有任何负载，但此时23次特定高频谐波电压依然有规律地变化着。这说明23次特定高频谐波电压不受6kVⅡ母线上负载变化影响，其变化主要是上级供电系统背景谐波电压引起的。为了更好地补偿接地故障残余电流中的谐波成分，在接地电流全补偿系统中可以选择特定高次谐波进行检测和补偿。

图2 谢桥矿6kVⅡ段母线电网监测波形

分析谐波类型并准确计算出谐波参数是残流补偿模块谐波检测环节的主要目标。准确的谐波预估可以在一定程度上改善器件开关特性、降低EMI。对稳定负载条件下的系统谐波及其引起的转矩脉动需进行较为详细的量化分析，由此可更为准确地衡量残流补偿模块补偿固定类型的特定高次谐波时的性能指标，并为残流补偿模块中SiC器件的驱动设计等技术问题提供参考依据。

2.3 器件封装及PCB布局优化

目前，基于封装集成的各种低杂散参数、高性能的SiC功率模块结合了传统结构工艺简单且可靠性高、平板结构寄生参数小且散热性能好的优点，可在高开关频率的应用条件下发挥出良好的性能。基于残流补偿模块的器件封装和主电路优化可以从图3所示几个方面进行。

图3 基于残流补偿模块的器件封装和主电路优化

主电路布局优化的目的是减小共源电感的大小，可以从以下几个方面着手：（1）增加特性较好的高频吸收电容，抑制直流侧电容和桥臂的导线上的寄生电感对换流过程中开关损耗的影响；（2）从结构上保证桥臂平衡；（3）减小回路布局面积，减小寄生电感。

3 结语

由于电力电子应用领域的要求越来越高，SiC宽带功率器件耐高压、开关频率高、损耗小、动态性能优良等优势越发明显，已成为接地电流全补偿系统的必然选择。本文对电压尖峰、开关振荡、串扰、谐波分析、器件封装及PCB布局优化等影响接地电流全补偿系统补偿性能的因素进行了分析，而子模块间的协同优化控制和残流补偿模块的自适应栅极驱动则需要进一步关注与研究。