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            MW风电变流器IGBT模块直流母线电容选择

            MW级风电变流器IGBT模块直流母线滤波电容选择,IGBT模块选用三菱new mpd系列IGBT模块CM1800DY-34S,介绍了电容纹波电流产生机理,纹波电流计算方法,并以此为依据选择合适的薄膜电容器,作为直流母线滤波电容。
            1)电容纹波电流的产生
            由于IGBT等开关器件的快速开通和关断,在变流器直流侧电流中所引起的开关频率及其偶数次的高频分量,这部分纹波电流都需要流过中间直流滤波电容。采用SVPWM工作的变流器,纹波电流有效值与交流输出相电流的关系如下:
            其中,调制比
            Uref为相电压峰值,
            UDC为直流电压,
            COSθ为功率因数。
            按照机侧和网侧变流器在各自持续最大工作电流计算,机侧和网侧各3个模块,则纹波电流有效值为:
            风电变流器纹波电流计算公式
            如果不考虑组件间的电流分配不平衡,则机侧每个组件中直流电容纹波电流有效值为193A,网侧每个组件中直流电容纹波电流有效值为167.7A。
            2)直流滤波电容纹波电流仿真分析
            以上计算结果为机侧和网侧电容的总纹波电流有效值,而变流器实际采用组件的模式(即每相IGBT和直流滤波电容做成一个整体),三相再通过母排互联起来。由于三个组件直流侧之间不可避免得存在着分布电感,分布电感的存在将影响纹波电流在三个组件直流电容间的分配,同时由于分布电感与组件中的直流电容发生谐振,还会进一步增加组件中电容的纹波电流。考虑分布电感后,变流器内部实际的连接关系如下图所示。
            风电变流器拓扑
            通过MATLAB Simulink搭建模型后,利用三个功率组件构成网侧变流器进行仿真,每个功率组件中直流电容上的纹波结果如下图所示。三组电流总和为498A,与计算结果503A基本吻合,验证了理论计算的正确性。
            风电变流器纹波电流仿真
            中间电容纹波电流:①ic1=166A②ic2=166A③ic3=166A
            假设模块之间采用复合母排连接,复合母排的杂散电感为40nH,线路阻抗为0.5mΩ,则仿真结果如下图所示。
            风电变流器纹波电流仿真
            中间电容纹波电流:①ic1=520A②ic2=480A③ic3=530A
            与计算结果相比较,每相相纹波电流已接近理论计算值,并且3相组件之间直流电容纹波电流不能够平均分配。电容纹波电流与直流连接铜排分布电感密切相关,而直流母排的分布电感无法精确计算,因此我们按照最恶劣情况下每个功率组件承受整个直流侧电流纹波考虑电容的损耗计算。
            3)直流滤波电容的选取及损耗计算
            以Electronicon公司直流滤波电容为例,型号为E50.N13-424NT0:1100V/420μF的电容在风电领域应用最广泛,技术参数如下所示,其额定纹波电流为40A。
            风电变流器用直流滤波电容参数
            厂家提供的等效ESR计算方式如下:
            薄膜电容器ESR计算方法
            由于直流滤波电容上的纹波电流主要是2倍开关频率(6kHz)次谐波,因此可以计算得到电容的等效串联电阻为:
            风电变流器要求工作环境温度为45℃,如要求电容内部热点温度小于75℃,则电容温升应小于30K。由电容厂家提供的电容内部热点到环境的热阻如下表所示,如果热点温度为75℃以下时电容的发热功率应该小于7.14W。
            如果每个功率组件采用10只电容并联的话,即使在单个组件承受纹波电流的条件下,机侧和网侧电容上的ESR损耗分别如下所示,也可满足温升要求。
            因此,如果每个组件内采用10只直流电容并联时,只要电容需要满足下表要求,即可满足设计要求。
            风电变流器电容选配方案
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