电力电子混合式隔离型的自动化多电平变换器设计

杜 洋

（山东职业学院，济南 250104）

0 引言

能源是社会发展进步的首要推动力，更是经济结构转型成果的缩影。电能作为一种新型的绿色能源，被广泛地应用在生产与生活之中。在第三次工业革命后，电能得到了高速发展，其在利用率以及性能方面取得了较大的提升[1]。伴随着多种大型数字集中电路设计技术的诞生，新的电路结构与控制设备不断被研发并应用到实际生活中，这得益于电力电子技术的发展。在对大量的文献进行分析后发现，所谓的电力电子技术是一种将电力电子器件作为载体，对电能进行控制、利用，从而达到提升电力系统控制能力与传输能力的技术[2]。此技术诞生于上世纪50年代，经过数十年的发展，目前其已应用到电能变换的多个领域，其理论内容逐渐成熟。随着电力系统的快速发展，为了降低电力污染率，人们开始研发电力滤波器、电平转化器等设备，希望此部分设备能够在尽可能高的开关频率下，使电网中电力信号达到多个行业对电压的应用要求。

正是由于自动化多电平转化器逐渐得到社会各界的重视，使得多电平变换器的控制技术具有重要意义。目前，为保证多电平转换器在实际工作中具有稳定性，多采用交错技术对变换器的各个开关进行控制，但此控制方法存在一定的缺陷，过于依赖控制参数。在电力系统出现扰动时，控制系数就会发生变化，使电平变换器的控制性能大大下降，无法完成异常信号的跟踪与控制[3]。针对此问题，在本次研究中提出了一种电力电子混合式隔离型的自动化多电平变换器，将电力电子技术与现代电力设备紧密结合，为电力系统控制设备的研发提供帮助。

1 自动化多电平变换器硬件设计

本次研究中，为将电力电子技术应用到自动化多电平变换器的设计之中，需要首先对变换器的硬件组成部分展开优化，优化后硬件框架如图1所示。

图1 自动化多电平变换器硬件框架

根据上图设计结果，对变换器内部构件进行优化，并将其组装为新型电平变换器的硬件构架，并将其作为电力电子技术的实施平台。

1.1 功率器件优化设计

功率器件对于自动化多电平变换器的使用效果具有直接影响，其额定电压、电流等参数均需要慎重考虑。在本次研究中，将IGBT作为本次研究优化内容的主体，此器件由双极型三极管以及绝缘栅型场效应管两部分组成，其具有开关灵活、应用稳定性高以及驱动简单的优点。在对多种IGBT模块进行分析后，选择SKM100GB12T4型号作为本次研究中使用的IGBT模块，设定其最大射极之间的电压为1000V，最大集电极为200A，内部整体电路结构如图1 所示。

图2所示，IGBT模块由两个开关管与一个桥臂组成。每个开关管并联一个续流二极管，在电路中起到续流保护作用。在对此结构进行设定后，根据IGBT模块设计结果，选择模块驱动器。通过文献分析可知，驱动器是连接变换器与电力系统电路连接的主要桥梁，起到隔离的作用。根据已选择的IGBT模块，将驱动器型号设定为2SP0115T，此驱动器具有安装便利的优点。将驱动器与IGBT模块的电阻型号进行匹配，并按照相应的位置进行焊接，完成功率器件优化过程。

图2 IGBT模块内部电路结构

1.2 信号采样调理电路优化

根据功率器件优化结果，对电力信号采样调理电路展开优化，优化后电路组成结构如图3所示。

图3 信号采样调理电路结构

在信号采样调理电路中安装霍尔采样器，对流经的电容电压进行采样分析，并在电路的输出端口增加稳压幅度，保护系统中的AD电路。在AD电路中对获取到的电力信号进行模数转换，而后对其进行分析。在本次研究中将霍尔采样频率设定为LV-25P，其可对高压交直流电压进行采集，满足电力电子技术的使用要求。将此采样器安装到信号采样调理电路中，完成其性能优化过程。

2 自动化多电平变换器软件设计

2.1 短路电流快速检测模块设定

在以往多电平变换器的使用过程中，由于信号区分性能较差，影响到了变换器隔离的速度以及可靠性。针对此文中，在本次研究中使用小波变换技术[4]，为非稳定性信号的分析提供强有力的支撑。设定电力系统中存在小波函数，其满足下述条件：

将ε(t)视作基本小波函数，在此函数中引入g，h对函数ε(t)进行伸缩与平移，得到小波函数：

其中，g表示尺度因子；h表示平移因子。对于电力系统中任意一个信号f，其小波变换定义可表示为：

其中，'表示复共轭；t表示时间；〈f（t），εg，h（t）〉表示待分析的信号以及小波函数的内积。在本次研究中将主要利用小波函数的时域性质完成电力信号的检测。从上述公式可以看出，小波函数尺度的倒数-与变换频率ε具有对应关系。简而言之，变换尺度越大，变换频率越低；变换尺度越小，变换频率越高。此原理符合电力信号的变化趋势，使用此原理可分析突变信号。

在信号检测过程中，需要将一维信号f（t）转换为二维信号Ef（t）后会出现信息冗余，为避免在计算过程中出现信息丢失的问题，对信号的位移进行离散处理。并得到电力系统的异常信号，此类信号模式设定为：

2.2 电流缓冲混合式隔离保护模块设定

根据上述模块处理完成的电力信号，构建电流缓冲隔离保护模块，实现变换器的基本性能以及信号隔离设计目标。此模块将主要对变换器的相关参数进行设定，具体内容设定如下。

1）缓冲电路参数：设定Ci为缓冲电容；Ui表示低电压；电压上升峰值设定为Umax；母线寄生电感设定为Ki；潮涌电压设定为KiI2/2，其可被缓冲电容完全吸收，则有：

其中，I表示多电平变换器工作电流峰值；△U2表示获取异常电力信号后上升的电压峰值。假设△U2具有相应的数值，且Ki为已知数据，则Ci可表示为：

根据上述公式，对模块中的缓冲电路进行整体性设计，并在其中安装电感小的无感电容[5]，使其靠近IGBT模块。

2）缓冲电阻：根据式(4)～式(5)推导可得出缓冲电阻数学表达式：

此电阻功率设定为Pi，则有：

充电缓冲电路：

放电阻止型缓冲电路：

上述公式中，v表示缓冲电路中的开关频率。在获取异常电力信号后，根据上述公式调节IGBT模块，控制变换器桥臂之间的电流之和。同时，使用桥臂电流跟踪异常信号，控制MMC两端网侧电流，对异常电力信号与控制信号进行隔离处理。将文中优化的硬件框架以及软件模块优化结果相结合，至此，电力电子混合式隔离型的自动化多电平变换器设计完成。

3 多电平变换器应用测试分析

在本次研究中，研发了一种电力电子混合式隔离型的自动化多电平变换器，为证实此变换器具有相应的应用价值，构建应用测试环节对其使用效果加以分析。

3.1 多电平变换器仿真测试

由于多电平变换器结构较为复杂，其调制过程操作环节较多，为了控制测试效率与难度，在本次研究中进行半实物仿真，调试文中研发的多电平变换器是否具有可行性。

电容电压平衡是多电平变换器的关键，当两者失去平衡时，变换器无法完成工作。本次测试中，为确定电容电压之间的平衡性，将测试环境设定为变换器启动、变换器突然加载以及变换器突然关闭3部分，所得测试结果如图4所示。

图4 多电平变换器半实物仿真测试结果

对上图进行分析可以看出，图4(a)表示电压变化；图4(b)为电流变化。当测试环境为突然开始时，变换器启电压已经趋于峰值。由此可知，变换器启动后，其内部的电容电压可以实现快速控制，并达到稳定工作状态。当变换器处在突然加载后，其电压与电流在较短的时间内均可达到稳定状态；当变换器处在突然关闭状态时，电容电压以及桥臂电流波形，此状态下电压、电流均为恒定数值且具有稳定性，同时桥臂电流变化无功增加。由此实验结果可以看出，文中研发变换器的电压动态调节能力较好，验证了此设备研发结果的可行性。

3.2 自动化多电平交换器背靠背测试

背靠背测试是验证自动化多电平交换器具有隔离能力的重要方式，实验平台结构设定图如图5所示。

图5 背靠背测试平台

基于此实验平台，得到多电平交换器的电流异常信号跟踪与隔离性能分析结果。本次测试环境设定为变换器并网工作环境，本次实验中无需考虑其他外界因素，仅对电压电流稳定性以及电流异常信号跟踪与隔离性能进行测试，测试结果如图6所示。

图6 背靠背动态测试结果

由文献分析可知，多电平变换器可以进行四象限运行，因此背靠背测试中，此设备的整流与逆流功能可进行互换。测试结果表明，在进行动态测试时，变换器两侧功能发生互换后，流经电力系统的电流在最短时间内发生变化，但变换器整体运行状态较为稳定，并为发生较大波动。整个动态变换过程较短，电力系统在极短时间内重新回到稳定状态，说明变换器的动态性能较为稳定，证实了变换器的科学性。

与此同时，在变换过程中出现了部分波动信号，变换器中的短路电流快速检测模块对其进行了快速的检测与采集，并对其部分电流信号进行了隔离处理，保证了变换器运行过程中，电力系统的稳定性。综合上述测试结果可知，文中研发的新型多电平变换器具有较高的稳定运行控制能力以及信号捕捉能力，使用此变换器可有效提升电力系统的安全性。

3.3 测试结果分析与讨论

本次测试首先在半实物仿真的基础上对变换器的可行性进行了验证，并得到了部分测试结果，然后利用获取到的测试结果进行了背靠背测试，对变换器的电压电流稳定性以及电流异常信号跟踪与隔离性能进行测试，达到了最终的测试结果，测试结果表明，多电平变换器软硬件功能稳定，电流电压平衡控制与异常电力信号跟踪控制效果良好，证实了文中研发的电力电子混合式隔离型的自动化多电平变换器具有科学性，为后续的电力电子技术的应用提供宝贵的经验。

电力电子技术是一门发展速度较快的新兴技术，将其应用到电子器件的设计中可有效提升器件的控制能力。使用此技术设计电平变换器可以有效弥补当前变换器的不足，实现异常电流的隔离处理，提高电力系统运行的稳定性，推动电力技术智能化发展。

4 结语

环境与能源作为影响人类社会发展的重要议题得到了人们的重视，由于我国长期以来矿产能源为工业以及多种行业提供动力，导致环境污染越发严重，可再生能源发电以及输电技术的高速发展为多电平变换器的研发提供了可能。多电平变换器具有较高的谐波输出能力在多个领域得到了广泛的应用。本次研究中，在当前多电平变换器的基础上，研发一种依托于电力电子技术的可进行信号隔离的新型变换器，此变换器可以弥补当前变换器的不足。在此变化器的设计中存在部分问题，在日后的研究中还需对其进行完善。