配电网静止同步补偿器的驱动与吸收电路设计_唐杰.pdf

配电网静止同步补偿器的驱动与吸收电路设计唐 杰1,2,罗 安2,王跃球1(1.邵阳学院信息与电气工程系,邵阳 422000;2.湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082)摘 要:配电静止同步补偿器(DST AT COM)的可靠性与主电路功率开关器件的驱动和保护密切相关,DSTAT-COM 运行中的诸多故障很大程度上与主电路功率开关器件有关。为了使功率开关器件稳定、可靠的工作,讨论并设计了 DSTATCOM 主电路功率开关器件 IGBT 的驱动电路和吸收保护电路。驱动电路采用集成智能驱动模块2SD315A,该模块集驱动、隔离、保护为一体且结构简单、功能强大、使用方便,非常适合于实际装置的开发。给出了利用 2SD315A 设计驱动电路的详细过程并为 2SD315A 设计了可靠的上电复位电路吸收保护电路采用 RCD 型电路,介绍了 RCD 型吸收保护电路的工作原理。根据 RCD 型吸收保护电路的工作原理和吸收保护电路安全可靠工作的目的建立了电路参数优化设计的数学模型。该模型中以功率开关器件承受的浪涌电压最小、放电时间常数最小和投资成本最小为目标函数。然后通过并行自校正多目标遗传算法优化吸收保护电路参数,给出了一个设计实例。实验装置的实际运行证明:所设计的 IGBT 驱动保护电路性能优良、可靠性高,对其它同类型的电力电子装置有较好的借鉴作用。关键词:配电静止同步补偿器;驱动电路;吸收电路;遗传算法;优化设计;功率开关器件中图分类号:T M933.1文献标志码:A文章编号:1003-6520(2008)03-0598-05基金资助项目:湖南省教育厅优秀青年项目基金(07B068)。Project Supported by Scientific Research Fund of Hunan Provin-cial Education Department(07B068).Design of Driving and Snubber Circuit of IGBT Used in DistributionStatic Synchronous CompensatorTANG Jie1,2,LUO An2,WANG Yue-qiu1(1.Department of Information and Electrical,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China;2.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:In order to ensure that the power switching devices can reliably work,the driving circuit and snubber cir-cuit of IGBT used in DSTATCOM is discussed and designed.T he driving circuit consists of intelligent integrateddriving model 2SD315A,which has the function of driving,insulation and protection.The 2SD315A has the meritsof simple structure,multiple functions and easy to operation,suitable for DST AT COM development.T he designprocess of 2SD315A is introduced in detail.Due to the locking phenomena occur in the start operation of 2SD315A,the reset circuit is used to overcome the locking phenomena.The schematic diagram of reset circuit is presented.The snubber circuit consists of RCD type snubber circuit.T he operation principle of the RCD sunbber circuit is ana-lyzed.T he optimization algorithm of design parameters of RCD type snubber circuit is established on the basis of theoperation principle of the RCD sunbber circuit and the stability of IGBT.In the optimization algorithm mode the op-timal object functions are overvoltage,discharge time and the cost of the RCD type snubber circuit.The parametersof snubber circuit are calculated by parallel self-correcting mult-i function-objective genetic algorithm.An exampledesign based on the optimization algorithm proposed is presented.The excellent performance and high reliability isverified by operation of the DST ATCOM.Key words:distribution static synchronous compensator;driving circuit;snubber circuit;genetic algorithm;optimaldesign;power switching devices0 引 言配电静止同步补偿器(DST ATCOM)是一种重要的用户电力(Custom Power)装置。在配电网中,DSTAT COM 能有效解决电压波动、电压暂降、电压不平衡、谐波污染等多种电能质量问题 1-6,因此成为了当前电气工程领域研究的热点之一。但从目前国内外的相关报道来看,更多是集中在 DST AT-COM 的控制策略方面 7-10,很少有文献涉及到DST ATCOM 装置的可靠性问题,然而其可靠性与主电路功率开关器件的驱动和保护密切相关。因此开展对 DSTAT COM 装置的驱动和保护研究对装置的安全、稳定运行具有重要的现实意义。目前,有不少国外企业生产了应用于 IGBT 的驱动模块。文献 11 研究并设计了基于 CPLD 的智能化 IGBT 驱动电路,但从工程应用的角度出发,开发驱动电路的过程显得有些复杂且设计出的驱动电路的可靠性有#598#第 34 卷 第 3 期2008 年 3 月高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol.34 No.3Mar.2008 待进一步提高。DSTAT COM 主回路吸收电路的常规设计方法一般都是根据工程经验或简单的技术经济指标来选择参数,没有进行优化设计。已有的优化设计方法中,假设条件较多,寻优空间较小,寻优能力不强,且对一些问题(如工程应用中的成本、市场型号等)未加考虑 12,13。本文采用一种并行自校正多目标遗传算法来进行吸收电路参数的优化选型,实例证明这种选优办法设计的吸收电路可靠性高,为 RCD 型吸收电路参数设计提供了一条新的途径,对其它同类型的电力电子装置有很好的借鉴作用。1 DSTATCOM 的系统构成DSTAT COM 装置系统构成如图 1 所示。在中低压配电系统中,DSTAT COM 的主电路拓扑一般采用单桥路三相电压型逆变器,电容 C 为直流侧储能元件,为逆变器的工作提供一个稳定的直流电压。功率开关器件可以选用开关频率较高的 IGBT,并采用 SPWM 调制技术。IGBT 的吸收保护电路采用 RCD 型电路,图 1中未画出 IGBT 的吸收保护电路。逆变器的输出电压经 LC 滤波器后施加到电网中(也可经变压器连接到电网)。2 基于 2SD315A 的 IGBT驱动电路设计SCALE 集成驱动器 2SD315A 是瑞士 CON-CEPT 公司专为大功率 IGBT 和 MOSFET 开发的智能集成驱动电路,它集驱动、保护与隔离于一体,具有使用简单、成本低、功能多、结构紧凑 等特点 14。根据 CONCEPT 公司的设计手册所设计的驱动电路接线图如图 2 所示,2SD315A 工作于半桥工作方式。电路中元器件的参数(如死区时间、保护电压)可根据所选功率器件的参数及手册中所介绍的 2SD315A 的应用来计算。在利用 2SD315A 设计驱动电路的过程中,如果直接将 2SD315A 的状态输出信作为使能信号,则在上电工作时,由于上电后的错误信息总是保存在驱动模块的错误寄存器中,因此状态输出信号为低电平。这样导致的结果是电路刚上电开始工作时,使能端信号为低电平,电路会出现/死锁0现象,不能工作。为了解决上述/死锁0现象,设计了如图 3 所示的上电复位电路。3 基于多目标优化遗传算法的吸收电路设计在研制 DSTAT COM 实验装置中,采用的功率开关器件为 IGBT。从整个功率电路布局的角度出发,结合参考成本和工作频率,设计了如图 4 所示的RCD 型吸收电路,电路的基本工作原理和过程可参考相关文献 14。下面将详细讨论 DSTAT COM 主电路功率开关器件 IGBT 吸收保护电路参数的优化设计方法。3.1 参数选优问题的数学描述由参考文献 14 可知无感电容 Cs、无感电阻 Rs和快速恢复二极管 Ds选型必须满足如下要求Cs=LmI2L/(kUUd)2;Rs=1/2.708nfsCs;ID=IL(tf+3P/4X0)/Ts。(1)式中,IL为负载工作电流,A;Lm为主回路线路杂散#599#2008 年 3 月高 电 压 技 术第 34 卷第 3 期寄生电感,H;Ud为直流工作电压,V;ID为二极管Ds的导通电流,A;fs、Ts分别为 PWM 的调制频率和周期;tf为电流切换时间;kU为 IGBT 的集电极 C与发射极 E 之间承受的浪涌电压率;X0为缓冲电路谐振时的角频率;n 表示将一个周期Ts分为 n 等分。3.1.1 选型问题的优化目标选型问题的优化目标有 3:1)可靠性目标之一:主回路功率器件 C、E 两极之间承受的浪涌电压最小即minkU,kU=ILUd(tfCs)2+LmCsUILUdLmCs。(2)2)可靠性目标之二:放电回路时间最短,时间常数 S最小即minS,S=RsCs。(3)3)投资成本目标:吸收电路元器件成本最小即minF,F=Emi=1(k1Rsi+k2Dsi+k3Csi)。(4)式中,k1、k2、k3分别为吸收电路中无感电阻 Rsi、快速恢复二极管 Dsi、无感电容 Csi(i 表示第 i 个功率管上对应的吸收电路)所对应的单位价格因子(根据各个元器件的耐压值、允许流过的最大电流以及元器件容量确定),m 为主回路中 IGBT 的个数。3.1.2 选型问题的约束条件选型问题的约束条件有 3:1)功率约束条件:当负载工作电流 IL已定,主回路已设计好(Lm已定),控制方案已经确定(即 fs已定)时,吸收电路缓冲吸收的功率必须满足WRs=3TsQTs/n0i2RsRsdt=9nCsfs(kUUd)2e-Ts3RsCs=9fsLmI2L/n。(5)式中,Ts/6 Ts/n Ts/3,即吸收电路必须在 Ts/n的时间内释放全部的能量。2)浪涌电压约束条件 15:当主回路设计好,其功率器件 IGBT 已经选型,则其 C、E 两极间的额定值 UCE已定,吸收电路的浪涌电压必须满足kU 15%。(6)3)市场选型约束条件:设市场供应为集合Q,则吸收电路中 Rsi、Dsi和Csi市场选型约束条件为RsiDsiCsiI Q=QRs,QDs,QCs。(7)式中,QRs为 Rsi的市场供应品种集,QDs为 Dsi的市场供应品种集,QCs为 Csi的市场供应品种集。从式(5)(7)看出,DST ATCOM 主回路吸收电路参数的优化设计问题,也就是在满足一定约束条件的情况下,使得各个目标值达到协调的最优解的搜索问题。3.2 并行自校正多目标优化遗传算法3.2.1 染色体编码图 4 RCD型吸收电路Fig.4 RCD snubber circuit每个功率管 IGBT 的吸收电路参数均可用无感电阻 Rs、快速恢复二极管 Ds、无感电容 Cs来表示,因此,染色体可表示为一个 3 维向量的基因链矢量(其取值的论域为 X 0)X=Rs,Ds,CsT。(8)3.2.2 适应度函数根据设计的优化目标构造算法适应度函数F1(X)=C1-kU;F2(X)=C2-S;F3(X)=C3-F。(9)式中,F1(X)、F2(X)和 F3(X)分别为对应于浪涌电压率、放电时间、投资成本 3 个优化目标;常数 C1、C2均为正数,根据优化问题的约束条件,C1可以定为 15%,C2可以定为一个 PWM 的控制周期 Ts,常数 C3是一个比较大的正数,其值可以根据经验确定,在研制过程中 C3定为20 000。3.2.3 并行进化种群的划分把随机产生的初始种群 P(0)分成 3 组:P、P和 P,种群规模分别为 N1、N2和 N3,分组的方法是随机的。对于种群 P,让其具有较小的交叉概率 PC和变异概率 PM,称之为优类子种群。较小的 PC和 PM易于保持染色体的稳定性,将优良的染色体尽量保存下来,其作用在于尽可能保护优秀染色体,使适应度函数趋于收敛。对于种群 P,让其具有较大的交叉概率 PC和变异概率 PM,称之为劣类子种群。较高的 PC和 PM易于产生新的超平面,增大探测到最优个体的可能性,其作用在于不断提供新的超平面,克服过早收敛。对于种群 P,让其交叉概率 PC和变异概率 PM介于 P和 P之间,它兼具 P和 P的特点,而作用又没有前两种的作用明显,其目的在于尽可能地记录种群的各种有用信息,以免丢失关键信息。3.2.4 多目标协调与染色体选择将适应度函数 F1(X)的寻优问题假定在一个#600#Mar.2008High Voltage EngineeringVol.34 No.3 约束空间内即maxF1(X);X X|Eimin fi Eimax,i=2,3。(10)式中,fi为Fi(X)的适应度值;Ei为fi的约束变化范围。这样,就可以使种群向 f1较大的方向进化时,兼顾使f2和f3较好的基因,避免算法陷入F1(X)的局部最优解。同时,通过染色体的选择机制,让 f2和 f3较好的染色体有更大机会进入下一代种群,从而使种群内染色体对 F2(X)、F3(X)的进化沿着满足阈值条件且靠近上界的方向。可根据约束条件设定 F2(X)和 F3(X)的适应度阈值即2Ts/3 f2 5Ts/6;C3-F f3C3。(11)据此,对第 t 代染色体做如下选择操作 16:保留良种,对 fi1或 fi2或 fi3最大的染色体 i 以100%的概率选择;对 E2min fi2 E2max且 E3min fi3 E3max的染色体 i 作为 f1最佳染色体进行非重复选择,也就是保留使 f2和 f3较好的基因,期待经过遗传操作出现 f1更大的染色体,使得在该条件下 f1较大的染色体随着进化过程而不断优化;在下一代的遗传操作中,以上两类的染色体被放入优类种群P;对满足 E2min fi2 E2max但不满足 E3min fi3E3max的染色体 i 以概率 Ps2进行选择,使得满足 f2阈值条件的染色体朝着 f1、f3更好的方向进化;对满足 E3min fi3 E3max但不满足 E2min fi2 E2max的染色体 i 以概率 Ps3进行选择,使得满足 f3阈值条件的染色体朝着 f1、f2更好的方向进化;在下一代的遗传操作中,这两类的染色体被放入种群 P。对既不满足 E2min fi2 E2max,又不满足 E3min fi3 E3max的染色体 i 以概率 Ps进行选择,为产生满足阈值条件或良种条件的染色体创造条件;在下一代的遗传操作中,这类的染色体被放入劣类种群P。其中Ps2=fi1ENj=1fj1(1-min|E3min-fi3|,|fi3-E3max|ENj=1|E3min-fj3|,|fj3-E3max|);Ps3=fi1ENj=1fj1(1-min|E2min-fi2|,|fi2-E2max|ENj=1|E2min-fj2|,|fj2-E2max|);Ps=fi1ENj=1fj1(1-min|E2min-fi2|,|fi2-E2m ax|ENj=1|E2min-fj2|,|fj2-E2max|)#(1-min|E3min-fi3|,|fi3-E3m ax|ENj=1|E3min-fj3|,|fj3-E3max|)。式中,N=N1或 N2或 N3,为种群规模(种群内染色体数目)。3.2.5 自校正参数的调整为了避免算法陷入局部解,必须采取措施克服算法的早熟收敛,本文采用一种自校正参数调整的方法来达到维持群体多样性,克服早熟收敛的目的 17。根据自校正的思想,在使用遗传算法对吸收电路参数优化过程中,对 PC和 PM进行自调整,其调整公式为PC=k1fmax-f cfmax-favg,k2,f c favg;f c favg;PM=k3fmax-ffmax-favg,k4,f favg;f favg。式中,fmax为当前种群中染色体适应度的最大值;favg为当前种群中染色体的平均适应度值;f c为参与交叉操作的两个染色体的适应度值较大的一个;f为参与变异的染色体适应度值;k1、k2、k3、k4是 1的正常数,且一般 k2和 k4的值相对较大些,以使较差的染色体被破坏的可能性增大些,k1和 k3的值相对较小些,可由具体的问题而进行相应调整。3.2.6 算法设计实例在基于 IGBT 研制 DSTATCOM 的过程中,采用本文方法设计的主回路吸收保护电路成本比传统经验方法设计的低 20 12%,且其可靠性更高。其参数及性能比较如表 1所示。表 1 传统经验方法与多目标优化方法设计结果比较Tab.1 Comparison of designed results between traditionalmethod and mult-i objective optimal strategy方法元件参数RsCsDskuS/LsF/元传统方法20 8/80 W0.96 LF/1200 V150 A/1200 V15%19.21800多目标优化方法12 8/40 W1.02 LF/1200 V75 A/1200 V8%121400注:F 为设计吸收保护电路的成本。4 结 语利用智能集成驱动模块 2SD315A 设计出了配电静止同步补偿器 IGBT 的驱动电路,该电路功能强大且工作稳定可靠。在设计 IGBT 的吸收保护电路时,采用了基于并行自校正多目标优化遗传算法设计RCD 型吸收保护电路的参数,并给出了采用传统经验方法跟本文提出的基于并行自校正多目标优化遗传算法的参数设计结果。实际运行表明:该IGBT 驱动保护电路性能优良、可对其它同类型的电力电子装置有较好的借鉴作用。参考文献 1 Wang P,Jenkins N,Bollen M H J.Expermental investigation#601#2008 年 3 月高 电 压 技 术第 34 卷第 3 期of voltage sag mitigation by an advanced static var compensator J.IEEE Trans on Power Delively,1998,13(4):1461-1467.2 Sensarma P S,Padiyar K R,Ramanarayanan V.Analysis andperformance evaluation of a distribution STAT COM for compen-sating voltage fluctuations J.IEEE T rans on Power Delivery,2001,16(2):259-264.3 袁佳歆,陈柏超,万 黎,等.利用配电网静止无功补偿器改善电网电能质量的方法 J.电网技术,2004,28(19):81-84.YUAN Jia-xin,CHEN Ba-i chao,W AN Li,et al.The method toimprove power quality of distribution system by distribution staticcompensentor J.Power System 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