MW風(fēng)電變流器IGBT模塊直流母線電容選擇

MW級(jí)風(fēng)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(chǎn)生機(jī)理，紋波電流計(jì)算方法，并以此為依據(jù)選擇合適的薄膜電容器，作為直流母線濾波電容。
1）電容紋波電流的產(chǎn)生
由于IGBT等開關(guān)器件的快速開通和關(guān)斷，在變流器直流側(cè)電流中所引起的開關(guān)頻率及其偶數(shù)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(guān)系如下： 其中，調(diào)制比
U_ref為相電壓峰值，
U_DC為直流電壓，
COSθ為功率因數(shù)。
按照機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器在各自持續(xù)最大工作電流計(jì)算，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)各3個(gè)模塊，則紋波電流有效值為： 如果不考慮組件間的電流分配不平衡，則機(jī)側(cè)每個(gè)組件中直流電容紋波電流有效值為193A，網(wǎng)側(cè)每個(gè)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(jì)算結(jié)果為機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)電容的總紋波電流有效值，而變流器實(shí)際采用組件的模式（即每相IGBT和直流濾波電容做成一個(gè)整體），三相再通過母排互聯(lián)起來。由于三個(gè)組件直流側(cè)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(gè)組件直流電容間的分配，同時(shí)由于分布電感與組件中的直流電容發(fā)生諧振，還會(huì)進(jìn)一步增加組件中電容的紋波電流�？紤]分布電感后，變流器內(nèi)部實(shí)際的連接關(guān)系如下圖所示。 通過MATLAB Simulink搭建模型后，利用三個(gè)功率組件構(gòu)成網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行仿真，每個(gè)功率組件中直流電容上的紋波結(jié)果如下圖所示。三組電流總和為498A，與計(jì)算結(jié)果503A基本吻合，驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。 中間電容紋波電流：①ic1=166A②ic2=166A③ic3=166A
假設(shè)模塊之間采用復(fù)合母排連接，復(fù)合母排的雜散電感為40nH，線路阻抗為0.5mΩ，則仿真結(jié)果如下圖所示。 中間電容紋波電流：①ic1=520A②ic2=480A③ic3=530A
與計(jì)算結(jié)果相比較，每相相紋波電流已接近理論計(jì)算值，并且3相組件之間直流電容紋波電流不能夠平均分配。電容紋波電流與直流連接銅排分布電感密切相關(guān)，而直流母排的分布電感無法精確計(jì)算，因此我們按照最惡劣情況下每個(gè)功率組件承受整個(gè)直流側(cè)電流紋波考慮電容的損耗計(jì)算。
3）直流濾波電容的選取及損耗計(jì)算
以Electronicon公司直流濾波電容為例，型號(hào)為E50.N13-424NT0:1100V/420μF的電容在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛,技術(shù)參數(shù)如下所示，其額定紋波電流為40A。 廠家提供的等效ESR計(jì)算方式如下： 由于直流濾波電容上的紋波電流主要是2倍開關(guān)頻率（6kHz）次諧波，因此可以計(jì)算得到電容的等效串聯(lián)電阻為： 風(fēng)電變流器要求工作環(huán)境溫度為45℃，如要求電容內(nèi)部熱點(diǎn)溫度小于75℃，則電容溫升應(yīng)小于30K。由電容廠家提供的電容內(nèi)部熱點(diǎn)到環(huán)境的熱阻如下表所示，如果熱點(diǎn)溫度為75℃以下時(shí)電容的發(fā)熱功率應(yīng)該小于7.14W。 如果每個(gè)功率組件采用10只電容并聯(lián)的話，即使在單個(gè)組件承受紋波電流的條件下，機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)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(gè)組件內(nèi)采用10只直流電容并聯(lián)時(shí)，只要電容需要滿足下表要求，即可滿足設(shè)計(jì)要求。