并網(wǎng)變流器功率單元設(shè)計(jì)與直流載流需求研究

瞿興鴻 趙紫龍 于 彬 劉 洋

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

并網(wǎng)變流器功率單元設(shè)計(jì)與直流載流需求研究

瞿興鴻 趙紫龍 于 彬 劉 洋

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

功率單元是變流器中的核心部件，隨著變流器容量增大，功率單元需要模塊化設(shè)計(jì)。本文結(jié)合業(yè)內(nèi)產(chǎn)品總結(jié)了目前主流的模塊化技術(shù)路線，比較了半橋功率單元和全橋功率單元的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了功率單元設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。指出了模塊直流母排電流非連續(xù)、不規(guī)則的特點(diǎn)，鑒于該電流對(duì)母排設(shè)計(jì)具有重要參考意義而目前相關(guān)研究文獻(xiàn)匱乏的現(xiàn)狀，本文開(kāi)展理論推導(dǎo)，給出了直流母排載流需求的計(jì)算方法，并進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

并網(wǎng)變流器；功率單元；模塊化；直流載流

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電、太陽(yáng)能等多種綠色能源不但能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)傳輸，而且其發(fā)電容量也在不斷擴(kuò)大[1-2]。而作為新能源并網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的并網(wǎng)變流器也隨之向更高功率等級(jí)不斷拓展。隨著變流器容量的增大，為了保持不同容量設(shè)備的組件兼容性、縮短開(kāi)發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本，對(duì)功率單元進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)已成為大功率變流器設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)。

以風(fēng)電為例，從 1～6MW，多種功率等級(jí)的不同機(jī)型對(duì)變流器提出了多樣化需求。如果將功率單元模塊化，那么針對(duì)不同功率需求，只要改變功率單元的組合方式和數(shù)量，即可快速推出相應(yīng)的變流器產(chǎn)品。光伏逆變器亦是如此。目前大功率的風(fēng)電和光伏變流產(chǎn)品普遍采用兩電平電壓源型電氣拓?fù)洌疚囊源祟?lèi)型為例開(kāi)展研究分析，而分析結(jié)論同樣適用于其他并網(wǎng)變流器。

1 變流器功率單元設(shè)計(jì)

風(fēng)電變流器和光伏逆變器的基本電氣拓?fù)淙鐖D1所示。可以看出其基本組件都是交直流變換器，它由三相橋臂組成。對(duì)其進(jìn)行模塊化主要有兩種方式：①半橋式，以單相橋臂和支撐電容為功率單元，橋臂載流能力更大，3個(gè)單元分別作為三相形成大容量變流器，科孚德、西門(mén)子等公司的變流主要采用這一模塊化方式；②全橋式，將三相模塊作為一個(gè)整體的功率單元，包括直流支撐電容一起封裝成標(biāo)準(zhǔn)單元，多個(gè)單元并聯(lián)形成大容量變流器，ABB公司的變流器產(chǎn)品就是該類(lèi)模塊化的典范，此外艾默生也有采用該技術(shù)的產(chǎn)品。

圖1 基本電氣拓?fù)?/p>

半橋式功率單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單元體積小，但功率密度相對(duì)低，相單元之間連接復(fù)雜，集成度不高，作為獨(dú)立單元應(yīng)用時(shí)外部接口較多。全橋式功率單元功率密度相對(duì)高，三相集成在一個(gè)整體單元結(jié)構(gòu)內(nèi)，作為獨(dú)立單元使用外部接口簡(jiǎn)單；但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，單元體積大、重量大。雖然兩種模塊化路線不同，但其設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)是相通的，主要有以下幾點(diǎn)。

1.1 高功率密度設(shè)計(jì)

提高模塊單元的功率密度可以減小設(shè)備體積、降低成本，其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于準(zhǔn)確估算器件損耗，有效解決散熱問(wèn)題。

器件損耗主要包括 IGBT損耗和反向二極管損耗，單個(gè)開(kāi)關(guān)器件的平均功耗Pav可以表示為[3]

式中，Wcond為通態(tài)損耗；Won為開(kāi)通損耗 Woff為關(guān)斷損耗；T為基本電周期。損耗大小與運(yùn)行電壓電流、開(kāi)關(guān)頻率、功率因數(shù)、調(diào)制度等多項(xiàng)因素有關(guān)，更準(zhǔn)確有效的損耗計(jì)算方法正被廣大研究人員不斷提出[4]。損耗估算太低不能達(dá)到目標(biāo)運(yùn)行效果，損耗估算太高則造成冗余散熱成本升高，并浪費(fèi)設(shè)備空間。

高效的散熱設(shè)計(jì)也是實(shí)現(xiàn)高功率密度的必要條件。對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，首先要對(duì)散熱器的根部厚度、翼片高度、翼片厚度和翼片數(shù)目進(jìn)行合理優(yōu)化[5]。此外，提升散熱能力的措施還包括：鋪設(shè)熱管提高導(dǎo)熱系數(shù)；將散熱器垂直放置，利用相對(duì)較輕的熱氣流形成煙囪效應(yīng)[6]；優(yōu)化風(fēng)道形狀，在空氣流場(chǎng)中加入紊流，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)流換熱效果等[7]。

1.2 低雜散電感設(shè)計(jì)

在大功率變流器中，由于器件和直流母線雜散分布電感的存在，會(huì)使功率器件在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生超出耐壓范圍的瞬態(tài)尖峰，從而造成器件的損壞。雜散電感引起的電壓峰值通常用下式計(jì)算，即

式中，Lstray為雜散電感值，i為流過(guò)雜散電感的電流，ΔVover為雜散電感上的壓降。

雜散電感一般由直流電容引線電感、直流母線電感、IGBT模塊內(nèi)部引線電感組成。為了減小雜散電感應(yīng)當(dāng)選用低引線電感的電容作為直流支撐電容。直流母線對(duì)雜散電感的影響最大，是可以通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的環(huán)節(jié)。采用上下層疊母排技術(shù)，可以顯著減小雜散電感，其尺寸、外形均對(duì)電感的大小起到影響。此外，在IGBT端增加吸收電容也能起到減小等效雜散電感、降低關(guān)斷電壓尖峰的作用。

1.3 快速維護(hù)設(shè)計(jì)

功率單元應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)上快速可分，功能上高度集成，從而大大提高現(xiàn)場(chǎng)的檢修、維護(hù)便利性。這就需要將IGBT、驅(qū)動(dòng)、傳感器、底層控制板件等集成設(shè)計(jì)，對(duì)外形成簡(jiǎn)單易拆裝的接口。如果能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部取電、通信對(duì)接，則功率單元二次部分可以采用光纖避免與變流器控制系統(tǒng)的電氣連接，以提高抗干擾能力，并減少維護(hù)工作量。

1.4 多單元并聯(lián)/級(jí)聯(lián)的均流均壓設(shè)計(jì)

隨著功率等級(jí)的不斷增大，集成化的功率單元已經(jīng)被開(kāi)發(fā)成了多個(gè)子單元并聯(lián)/級(jí)聯(lián)等多種形式，伴隨而來(lái)的是功率單元間的均流、均壓?jiǎn)栴}需要解決。

由于并聯(lián)功率單元中 IGBT自身參數(shù)的不一致及單元外部電路布局不對(duì)稱(chēng)等，容易引起并聯(lián)單元電流分配不均，制約并聯(lián)應(yīng)用，因此設(shè)計(jì)中需要考慮如何確保均流。柵極電阻匹配法[8]和發(fā)射極電阻反饋法[9]是IGBT直接并聯(lián)均流的常用措施，但對(duì)于彼此獨(dú)立的功率單元均流并不適用。在功率單元橋臂中點(diǎn)串接μH級(jí)小電感，可以減小單元間動(dòng)態(tài)電流的分配不均，此方法也稱(chēng)為外加電感平衡法[10]，工程實(shí)現(xiàn)方便，適用于多單元并聯(lián)應(yīng)用。

對(duì)于功率單元級(jí)聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}一般通過(guò)兩種方式來(lái)解決：①根據(jù)單元直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流來(lái)調(diào)節(jié)本單元開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，從而調(diào)節(jié)輸入到該單元的有功功率，實(shí)現(xiàn)均壓控制[11]；②為每個(gè)單元直流側(cè)增加輔助電路提供能量交換通路，實(shí)現(xiàn)硬件均壓控制[12]。

2 功率單元直流載流理論分析

對(duì)于基本的三相全橋拓?fù)洌延械难芯看蠖鄠?cè)重于應(yīng)用，研究關(guān)注點(diǎn)通常集中于對(duì)外接口處的電壓、電流特性，如圖2中的①、②、⑤處。文獻(xiàn)[13-14]研究了交流輸出電流波形，從控制角度提高了輸出電流的精度和正弦度；文獻(xiàn)[15-16]給出了改進(jìn)的PWM算法，減小了輸出電壓諧波；文獻(xiàn)[17]分析了直流支撐電容輸入電流成分，從而給出了支撐電容設(shè)計(jì)原則。然而從變流器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)出發(fā)，功率單元內(nèi)部設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定同樣重要。特別是對(duì)于大功率 IGBT應(yīng)用，如上節(jié)所述，為了降低器件關(guān)斷過(guò)程的電壓尖峰，直流側(cè)一般采用層疊母排連接IGBT，其實(shí)際的電氣位置為圖中③、④處。根據(jù)層疊母排電氣位置可知，其承載電流并非標(biāo)準(zhǔn)直流或正弦波形，目前公開(kāi)發(fā)表的研究文獻(xiàn)在此方面未有分析，而各種工況下的電流是層疊母排設(shè)計(jì)的基本參考依據(jù)。母排參數(shù)的誤差直接影響了變流器的可靠性和壽命。

圖2 功率單元母排劃分

變流器交流輸出端無(wú)論連接電網(wǎng)還是電機(jī)通常都有較大電感，其輸出電流能夠保持較好的正弦波形，因此本文分析中交流側(cè)電流⑤用標(biāo)準(zhǔn)正弦波表示，且電流以流出模塊為正。定義③處電流以流入模塊為正，然后分析該處電流的實(shí)際波形。當(dāng)交流側(cè)電流⑤處于正半波，電流路徑如圖3（a）所示，上管開(kāi)通時(shí)電流流過(guò)IGBT，電流③等于電流⑤，上管關(guān)斷時(shí)電流通過(guò)下管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電流③等于零；當(dāng)交流側(cè)電流⑤處于負(fù)半波，電流路徑如圖 3（b）所示，下管開(kāi)通時(shí)電流流過(guò) IGBT，電流③等于零，下管關(guān)斷時(shí)電流通過(guò)上管的反并聯(lián)二極管續(xù)流，電流③等于電流⑤。

圖3 電流路徑分析

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，電流③表現(xiàn)為周期性非連續(xù)波形，其基本示意如圖4所示。電流的正負(fù)由交流輸出電流的正負(fù)決定，每個(gè)周期電流脈沖的數(shù)量與載波周期數(shù)量一致，脈沖寬度取決于對(duì)應(yīng)載波周期的占空比。由于正弦波形的半波對(duì)稱(chēng)性，電流⑤的瞬時(shí)值i滿足下式：

式中，N為每個(gè)基波周期對(duì)應(yīng)的載波周期數(shù)，且 N為偶數(shù)，i(n)表示第n個(gè)載波周期的電流瞬時(shí)值。由于電流③在負(fù)半周期為二極管導(dǎo)通，其占空比D滿足下式：

式中，D(n)表示第n個(gè)載波周期電流的占空比。

圖4 母排電流波形示意

為了得到直流母排③的載流需求，需要求得電流有效值。設(shè)正弦波周期為 T，流過(guò)母排電流 i3的有效值Irms3可以表示為

設(shè)載波周期為T(mén)s，對(duì)上式離散化，得到

將式（3）和式（4）帶入上式化解，得到

式中，i5和 Irms5分別為交流輸出⑤處的電流實(shí)時(shí)值和有效值，上式說(shuō)明電流③的有效值約為交流輸出電流⑤的0.707倍。由正負(fù)母排的電氣對(duì)稱(chēng)性可知，電流④的有效值與電流③相同。分析過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，雖然不同功率因數(shù)下直流母排電流脈沖波形不同，但其有效值只與交流輸出電流有效值有關(guān)，而不受功率因數(shù)影響。上述結(jié)果可以作為直流母排設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3 功率單元直流載流仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，搭建如圖 5所示的功率單元基本仿真模型。

圖5 功率單元基本仿真模型

交流側(cè)經(jīng)過(guò)500μH電抗連接690V三相交流電網(wǎng)，直流側(cè)用理想電壓源和阻抗串聯(lián)模擬，IGBT器件控制采用SPWM方式，直流電源控制在1100V。可分別在純有功、純無(wú)功運(yùn)行方式下進(jìn)行仿真。

3.1 純有功運(yùn)行工況下的仿真

控制SPWM輸出，使功率單元運(yùn)行在純有功輸出狀態(tài)。圖6所示記錄了一個(gè)周期內(nèi)A相上管開(kāi)關(guān)信號(hào)波形、交流輸出電流波形和直流正母排電流波形。觀察發(fā)現(xiàn)，電流正半周期，上管門(mén)極信號(hào)為 1時(shí)直流母排電流等于交流輸出電流，門(mén)極信號(hào)為 0時(shí)直流母排電流等于0，而電流負(fù)半周期恰恰相反。這與上節(jié)理論分析的結(jié)果相一致。同時(shí)從直流母排電流波形看出，將負(fù)半波波形取反并前移半個(gè)周期后，與正半波波形拼合剛好得到一個(gè)完整的正弦半波，且與交流側(cè)輸出電流波形重合，由半波有效值和全波有效值的關(guān)系可知，直流母排電流有效值為交流輸出電流的0.707倍。

圖6 純有功運(yùn)行工況的仿真結(jié)果

3.2 純無(wú)功運(yùn)行工況下的仿真

控制SPWM輸出，使功率單元運(yùn)行在純無(wú)功輸出狀態(tài)。一個(gè)周期內(nèi)A相上管開(kāi)關(guān)信號(hào)波形、交流輸出電流波形和直流正母排電流波形如圖7所示。觀察波形發(fā)現(xiàn)，雖然直流母排電流在正負(fù)半周期的分布與純有功運(yùn)行工況下有著較大差別，但仍然符合上節(jié)理論推導(dǎo)得出的結(jié)果。

仿真結(jié)果說(shuō)明，直流母排電流有效值為交流輸出電流的0.707倍，且其與變流器運(yùn)行的功率因數(shù)無(wú)關(guān)。

圖7 純無(wú)功運(yùn)行工況的仿真結(jié)果

4 功率單元直流載流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建背靠背實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行大功率實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并網(wǎng)電壓690V，直流電壓控制到1100V，IGBT控制采用SPWM，功率單元額定電流750A，采用4個(gè)英飛凌公司的 FF450R17ME4并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源接入容量限制，所以只在純有功運(yùn)行工況下能達(dá)到額定電流，測(cè)得直流母線電流波形如圖8所示。實(shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)為單個(gè)FF450的直流正連接銅排，4只IGBT并聯(lián)，所測(cè)電流為直流母排總電流的1/4。從示波器的有效值計(jì)算結(jié)果看，單只IGBT直流正母排電流有效值為133A，推算出單相橋臂直流母排電流有效值約為532A，與交流側(cè)電流 750A相比，基本符合本文所給出的0.707倍關(guān)系，證明所給出工程計(jì)算方法的正確性。

圖8 實(shí)測(cè)A相直流正母排電流波形

5 結(jié)論

本文總結(jié)了功率單元模塊化的技術(shù)路線；比較了半橋功率單元和全橋功率單元的優(yōu)缺點(diǎn)；在分析功率單元設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上給出了設(shè)計(jì)建議；推導(dǎo)得出了直流母排載流需求的計(jì)算方法，指出直流母排電流有效值只有交流輸出電流有關(guān)，而與運(yùn)行功率因數(shù)無(wú)關(guān)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了結(jié)論的正確性。

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Study on Power Unit Design and DC Busbar Current Carrying Demand for Grid-connected Converter

Qu Xinghong Zhao Zilong Yu Bin Liu Yang
(NARI Technology Development Co.,Ltd,Nanjing 211106)

Power unit is a core component of converters.With the converter capacity increases,power unit need to be designed by modular method.In this paper,currently mainstream modular technical routes are summarized,advantages and disadvantages of half bridge and full bridge power unit are compared,and key technology in the design of power unit is analyzed.It is pointed out that,the DC busbar current has the attribute of irregularity and discontinuity.This is important to DC busbar design,but the research in this direction is relatively poor.This paper derives the related theoretical formula to calculate the DC busbar current.The results of simulation and experiment verify the correctness of the formula.

grid-connected converter; power unit; modularization; dc busbar current

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（524608140017）

瞿興鴻（1983-），男，重慶人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電及并網(wǎng)控制技術(shù)。