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MW風電變流器IGBT模塊直流母線電容選擇

MW級風電變流器IGBT模塊直流母線濾波電容選擇,IGBT模塊選用三菱new mpd系列IGBT模塊CM1800DY-34S,介紹了電容紋波電流產生機理北京赛车-首页_Welcome,紋波電流計算方法北京赛车-首页_Welcome,并以此為依據選擇合適的薄膜電容器北京赛车-首页_Welcome,作為直流母線濾波電容。
1)電容紋波電流的產生
由于IGBT等開關器件的快速開通和關斷,在變流器直流側電流中所引起的開關頻率及其偶數次的高頻分量,這部分紋波電流都需要流過中間直流濾波電容。采用SVPWM工作的變流器,紋波電流有效值與交流輸出相電流的關系如下:
其中,調制比
Uref為相電壓峰值,
UDC為直流電壓,
COSθ為功率因數。
按照機側和網側變流器在各自持續最大工作電流計算,機側和網側各3個模塊,則紋波電流有效值為:
風電變流器紋波電流計算公式
如果不考慮組件間的電流分配不平衡,則機側每個組件中直流電容紋波電流有效值為193A,網側每個組件中直流電容紋波電流有效值為167.7A。
2)直流濾波電容紋波電流仿真分析
以上計算結果為機側和網側電容的總紋波電流有效值,而變流器實際采用組件的模式(即每相IGBT和直流濾波電容做成一個整體),三相再通過母排互聯起來。由于三個組件直流側之間不可避免得存在著分布電感,分布電感的存在將影響紋波電流在三個組件直流電容間的分配,同時由于分布電感與組件中的直流電容發生諧振,還會進一步增加組件中電容的紋波電流?紤]分布電感后北京赛车-首页_Welcome,變流器內部實際的連接關系如下圖所示北京赛车-首页_Welcome。
風電變流器拓撲
通過MATLAB Simulink搭建模型后北京赛车-首页_Welcome,利用三個功率組件構成網側變流器進行仿真,每個功率組件中直流電容上的紋波結果如下圖所示。三組電流總和為498A,與計算結果503A基本吻合,驗證了理論計算的正確性。
風電變流器紋波電流仿真
中間電容紋波電流:①ic1=166A②ic2=166A③ic3=166A
假設模塊之間采用復合母排連接,復合母排的雜散電感為40nH,線路阻抗為0.5mΩ北京赛车-首页_Welcome,則仿真結果如下圖所示北京赛车-首页_Welcome。
風電變流器紋波電流仿真
中間電容紋波電流:①ic1=520A②ic2=480A③ic3=530A
與計算結果相比較,每相相紋波電流已接近理論計算值北京赛车-首页_Welcome,并且3相組件之間直流電容紋波電流不能夠平均分配北京赛车-首页_Welcome。電容紋波電流與直流連接銅排分布電感密切相關,而直流母排的分布電感無法精確計算,因此我們按照最惡劣情況下每個功率組件承受整個直流側電流紋波考慮電容的損耗計算。
3)直流濾波電容的選取及損耗計算
以Electronicon公司直流濾波電容為例,型號為E50.N13-424NT0:1100V/420μF的電容在風電領域應用最廣泛,技術參數如下所示北京赛车-首页_Welcome,其額定紋波電流為40A。
風電變流器用直流濾波電容參數
廠家提供的等效ESR計算方式如下:
薄膜電容器ESR計算方法
由于直流濾波電容上的紋波電流主要是2倍開關頻率(6kHz)次諧波,因此可以計算得到電容的等效串聯電阻為:
風電變流器要求工作環境溫度為45℃,如要求電容內部熱點溫度小于75℃,則電容溫升應小于30K。由電容廠家提供的電容內部熱點到環境的熱阻如下表所示,如果熱點溫度為75℃以下時電容的發熱功率應該小于7.14W。
如果每個功率組件采用10只電容并聯的話,即使在單個組件承受紋波電流的條件下,機側和網側電容上的ESR損耗分別如下所示,也可滿足溫升要求。
因此,如果每個組件內采用10只直流電容并聯時,只要電容需要滿足下表要求,即可滿足設計要求。
風電變流器電容選配方案
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