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光伏逆變器直流母線電容參數(shù)計算與驗證

時間:2018-01-31 14:01:21來源:何建華

導語:?新能源光伏發(fā)電近年受到大中小企業(yè)的追捧,國家大力提倡并支持光伏產(chǎn)業(yè)的同時也滋生了光伏逆變器的功率結(jié)構(gòu)多樣性。

摘要:新能源光伏發(fā)電近年受到大中小企業(yè)的追捧,國家大力提倡并支持光伏產(chǎn)業(yè)的同時也滋生了光伏逆變器的功率結(jié)構(gòu)多樣性。如今光伏并網(wǎng)逆變器根據(jù)電站或者用戶的需求,可實現(xiàn)逆變裝置內(nèi)單元并聯(lián)和以光伏裝置為單位的多逆變器設(shè)備并聯(lián)。本設(shè)計100kw光伏逆變器內(nèi)的直流母線電容容量,根據(jù)最大功率和IGBT極端工作下分別計算電容容量,根據(jù)廠家電容手冊的參數(shù)計算并驗證電容值的可行性。最終為100kw光伏逆變器選定合適的電容規(guī)格型號。

1引言

光伏逆變器根據(jù)應用不同場合,其容量也不盡相同。單從采購的一致性和批量成本考慮,我們希望裝置元器件在不同功率等級下應用盡可能保持不變;當然這對絕大多數(shù)功率器件來說是很難做到的。然而,由于裝置可能是一體機或內(nèi)部多功率單元并聯(lián)的結(jié)構(gòu),使得直流母線電容選型的一致性成為可能,本文主要從以下幾個方面來說明直流母線電容的計算和選擇依據(jù)。

(1)功率直流母線電容的選擇通過最大功率(考慮逆變器轉(zhuǎn)換率)與IGBT直通極端條件分別計算直流母線電容容值。

(2)計算與仿真比較直流母線波動電壓的峰峰值依據(jù)公式計算直流母線的峰峰值,并于光伏逆變器MALTAB仿真中直流母線電壓的波動對比,找出最大值作為之后的計算依據(jù)。

(3)電容峰值電流和周期內(nèi)的有效值通過法拉電容廠家手冊中的參數(shù)計算Ih和Irms,從而求出一支電容上的周期平均電流Irms1。

(4)根據(jù)熱功率和環(huán)境溫度,驗證電容參數(shù)合理性。

2最大功率直流母線電容的選擇

單級式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲,主電路由100kW光伏組件、直流母線電容Cdc、三相電壓源型逆變器、LCL濾波器以及三相三線制的電網(wǎng)組成。其中,Linv為逆變器側(cè)電感值;Lg為網(wǎng)側(cè)電感值;Cf為濾波電容。光伏組件產(chǎn)生的直流能量經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電送入電網(wǎng)。三相光伏逆變器如圖1所示。

圖1三相光伏逆變器主電路拓撲

當電網(wǎng)故障導致并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落時,按照常規(guī)的光伏逆變器的并網(wǎng)控制思路,逆變器保持最大功率輸出。假設(shè)功率恒定,在直流側(cè)的電流關(guān)系式為

 (1)

根據(jù)功率平衡關(guān)系,網(wǎng)側(cè)功率與直流側(cè)功率相等,則功率關(guān)系式為

 (2)

根據(jù)能量守恒,則有

 (3)

當電網(wǎng)故障到并網(wǎng)點電壓跌落所需的時間極短,因此并網(wǎng)點電壓Uabc跌落幾乎瞬間完成,這將導致光伏逆變器輸出功率Pg瞬間減小。若保持原有的MPPT控制算法,光伏組件的輸出功率穩(wěn)定在最大功率點。

在不考慮能量傳輸損耗的條件下,電網(wǎng)電壓跌落瞬間,并網(wǎng)輸出功率將保持與直流側(cè)輸入功率一致,因此并網(wǎng)電流將不斷增大;考慮到控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,跌落瞬間電流有調(diào)節(jié)過程,因此輸出功率跌落時的瞬態(tài)將是一個振蕩調(diào)節(jié)過程。由功率平衡關(guān)系,直流母線上的能量將瞬間堆積,母線電壓將會升高。對于并網(wǎng)點電壓輕微跌落條件,并網(wǎng)電流不超過逆變器安全范圍時,電網(wǎng)的故障不影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制運行。

發(fā)生深度跌落時,則可能引起逆變器瞬間過流、直流母線過壓等故障,如不采取相應措施,將造成逆變器因自我保護而脫網(wǎng)。在光伏新能源滲透率較高的地區(qū),若光伏電站大規(guī)模脫網(wǎng)運行,將導致電網(wǎng)的有功出力大幅度減少,增加整個電力系統(tǒng)的恢復難度,甚至可能加劇故障,引起其他電站解列,導致大規(guī)模停電事故。為解決上述問題,需要對大功率并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制技術(shù)進行深入研究。

這里,我們只考慮直流母線電容的電壓和容量選擇。

考慮到直流母線電壓波動,該設(shè)計選擇可以應用薄膜電容器;但是如果紋波電壓在比較小的范圍內(nèi)波動,極性電容也是可以接受的。

1)額定電壓;通常為1.2-1.5倍的直流側(cè)過壓能力。

2)電容容量Q;Q值與IGBT開關(guān)期間內(nèi)對其直流母線電容充放電的載波頻率(也即開關(guān)周期)有關(guān);即一個PWM開關(guān)周期內(nèi),IGBT開通時電容為逆變器提供輸出的能量;IGBT關(guān)斷時電網(wǎng)通過逆變器三相IGBT的體二極管給直流側(cè)電容充電。

在一個開關(guān)周期內(nèi),直流母線所需要提供的能量為:

 (4)

式中,η為逆變器效率;fs為開關(guān)頻率。w即為IGBT開通周期內(nèi)電容釋放的能量與太陽能極板輸出的能量之和。

設(shè)直流母線電容為無損器件,在IGBT開通和關(guān)斷時其充放電平衡,可知其充電能量為Q,計算見如下公式

 (5)

式中,U為直流母線電壓,ΔU為母線紋波電壓。所以,我們可以認為在開關(guān)周期內(nèi),逆變器輸出能量為電容充電能量的2倍,即

W=2Q     (6)

本設(shè)計中逆變器直流側(cè)有功功率為100Kw,效率ρ為98.6%,fs為8Khz,母線電壓為550V,而根據(jù)模型仿真可知為2V。注意,在這里我們的設(shè)計參數(shù)要在足夠大的范圍內(nèi),這樣即使調(diào)試環(huán)境或者慣性環(huán)節(jié)有變化,我們也可通過軟件調(diào)整到合適、穩(wěn)定的目標值。

根據(jù)以上公式,計算本設(shè)計母線電容容量如下:

 (7)

3極端條件下(IGBT直通),無功支撐電網(wǎng)時母線的電容器容量選擇

逆變器輸出電流:

若輸出功率P為100KW,交流輸出電壓Uout為315V,角頻率ω為314,由公式(6)和(7)計算出C為1853uF。

4計算與仿真比較直流母線波動電壓的峰峰值Δu

根據(jù)直流母線電容的充放電過程可知,一個開關(guān)周期內(nèi)母線需要提供的能量為Win。一個開關(guān)周期內(nèi)電容釋放的能量為Q

由式(3)可以推出

 (10)

這里根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)計算,直流母線理論的峰峰波動Δu值為3V;而在MATLAB光伏逆變系統(tǒng)仿真中,觀測到直流母線波形的峰峰波動Δu值為10V。為了滿足兩者的綜合設(shè)計,這里取Δu值為10V。

5峰值電流Ih的計算

一個周期的峰值電流由式(4)、(10)和(11)聯(lián)合計算得出:

可知:Ih=76.8A

6周期內(nèi)的電流有效值Irms

因為沖擊電流,計算損耗時溫度系數(shù)不可取,所以在這里要做多支電容并聯(lián)。用4支500uF的電力電容并聯(lián)分流后,可得到Irms1值

設(shè)直流母線紋波波動最高頻率為4Khz,則由式(12)可知Irms為54.3A。

故可以計算出一支電容上的電流有效值;

電容采用法拉電容器廠家的參數(shù)規(guī)格,根據(jù)其電容的ESR(電容等效串聯(lián)電阻值)和Rth(繞組熱點和外界(自然冷卻)之間的熱電阻)有關(guān)參數(shù)可知,在環(huán)境溫度上限85度下計算得到:

    由式(13)可求出:Pt為0.295;H為1.3K;Qu為356.7K

7、結(jié)論

依據(jù)法拉廠家的參數(shù)計算,最終得出電容的環(huán)境溫度余量為83.7°,對比夏天環(huán)境溫度為40度為基準的話,會看到溫度會冗余出40多度。

對于電容器件的選擇,我們一般會以大廠家的電容值范圍為參考,這里以法拉廠家的產(chǎn)品參數(shù)為例。從廠家選型手冊中,找出容量為420uF的電容。即在一個100KW的單元中,用單支420uF的電容4支并聯(lián)使用即可。

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