大功率風(fēng)電變流器中的母排設計

1 引言

與普通逆變器、變流器相比，風(fēng)電變流器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①功率密度大，直流側電壓高;②使用環(huán)境惡劣，國內風(fēng)電場(chǎng)一般集中在東北、華北、西北和沿海地帶。東北和華北寒冷、溫差大;西北部風(fēng)沙大、灰塵多;沿海地區空氣濕度大、腐蝕力強;③連續工作時(shí)間長(cháng)，在風(fēng)力較好的季節，變流器經(jīng)常連續幾個(gè)月處于滿(mǎn)負荷運行狀態(tài);④可能會(huì )出現陣風(fēng)、臺風(fēng)等惡劣天氣。這些特點(diǎn)對風(fēng)電變流器的主電路設計，尤其是功率模塊單元的母排設計提出了更高的要求。如果母排設計不合理，沒(méi)有考慮到風(fēng)電變流器的特殊要求，可能會(huì )出現下面幾個(gè)問(wèn)題：①母排過(guò)熱，這是由于風(fēng)電變流器的直流側電流大、電壓不穩定，再加上風(fēng)季時(shí)長(cháng)時(shí)間處于滿(mǎn)功率運行狀態(tài)，容易導致母排過(guò)熱;②母排電感過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)高的尖峰電壓，導致安全裕量變小，當遇到陣風(fēng)、臺風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，變流器直流側電壓會(huì )短時(shí)急劇升高，功率器件很可能出現過(guò)壓，嚴重時(shí)可能會(huì )導致功率器件炸毀，造成重大損失;③因制造和裝配誤差、母排本身和電容等重力作用，導致功率器件受力是不可避免的，如果不在母排設計階段將這些因素考慮進(jìn)去，很可能導致功率器件承受過(guò)大的應力，風(fēng)電變流器的功率比較大，母排一般都比較大，電容數量多，更增加了這種風(fēng)險;④母排防護不夠，隨著(zhù)灰塵、潮氣的侵入，導致絕緣失效。

因此，針對上述問(wèn)題，本文提出了風(fēng)電變流器直流側母排設計原則及要點(diǎn)。實(shí)踐證明，根據這些原則及要點(diǎn)設計的母排具有很高的可靠性。

2 大功率直流側母排設計原則

(1)雜散電感小，具有一定的電磁兼容能力。

(2)結構簡(jiǎn)潔緊湊，安裝方便，具有良好的維護性。

(3)母排支撐可靠，受力情況考慮周全，功率器件受力小。

(4)可靠性強，能保證在特定的環(huán)境中長(cháng)時(shí)間運行。

(5)經(jīng)濟適用，節省材料。

3 設計準備

在進(jìn)行直流側母排結構設計之前，要首先明確以下幾方面的問(wèn)題。

⑴ 確定風(fēng)電變流器的工作環(huán)境。要確定變流器是室外型還是室內型，高原型還是地面型，嚴寒地區還是潮濕地區。并根據這些環(huán)境條件來(lái)確定環(huán)境的污染等級、極限溫升和最小爬電距離與電氣間隙。

⑵ 了解電路拓撲結構，收集相關(guān)元器件規格書(shū)。

⑶ 確定額定工作電壓和電流。目前，風(fēng)電變流器主流機型的直流側母線(xiàn)電壓均在1100V左右，電流從幾百A到幾千A不等，這取決于風(fēng)電機組的功率大小。額定工作電壓和電流作為計算母排尺寸的一個(gè)重要依據。

⑷ 使用壽命。使用壽命的選取會(huì )影響到直流母排的結構工藝及其絕緣材料的選擇。風(fēng)電變流器的壽命一般要求20年，故對直流母線(xiàn)的壽命也一般要求不低于20年。這樣，在產(chǎn)品的生命周期內，母排就可以免于維護。

4 母排結構設計

在確定了母排工作環(huán)境、電路拓撲、電氣參數等一些具體要求以后，就可以開(kāi)始母排的設計。首先，依據電流大小計算銅板的截面積。需要注意的是不要選擇過(guò)厚的銅排，因為電流流過(guò)導體存在集膚效應[1]，集膚深度計算公式為

(1)

式中：δ為集膚深度;μ為磁導率;σ為電導率。

風(fēng)電變流器的功率密度大，母排導體一般選擇紫銅材料，紫銅的磁導率為4 X10-7H/m，電導率為5.8X107S/m。風(fēng)電變流器的功率器件開(kāi)關(guān)頻率一般為2kHz -3kHz，就以3kHz為例，根據式(1)可以計算出集膚深度為：

所以，銅板厚度一般采用1.5mm—2.5mm為宜。如果沒(méi)有注意到這一點(diǎn)，不但浪費材料，還往往伴隨出現母線(xiàn)過(guò)熱的現象。

此外，直流側母排設計應重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)。

3.1 盡量減少電感

由于雜散電感的作用，在IGBT關(guān)斷時(shí)會(huì )出現尖峰電壓，此電壓與直流回路電壓疊加，對功率器件和母排絕緣構成很大威脅。變流器功率越大，功率器件di/dt越大，這種危害就越嚴重。由雜散電感引起的尖峰電壓UL為：以下腳注改為正體，i與t改為斜體

UL=(LB+LM)di/dt (2)

式中：LB為母排寄生電感，LM為功率模塊寄生電感。

由(2)式可知，降低電壓尖峰有兩個(gè)途徑：① 通過(guò)改變門(mén)極驅動(dòng)電阻的值來(lái)減小di/dt，將導致開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間延長(cháng)，功率器件的損耗增加，這會(huì )使變流器的效率降低，而且給功率器件的散熱也將帶來(lái)挑戰。所以靠減小di/dt來(lái)減小雜散電感是有限的;② 減小雜散電感(LB+LM)，(LB+LM)當功率器件選定以后，其自身寄生電感就基本固定，能夠減小的就只有母排寄生電感了，所以，母排設計是獲得低電壓尖峰的關(guān)鍵。為獲得低電感的母排，在母排設計時(shí)可以從以下幾個(gè)方面考慮。

3.1.1采用疊層結構

由鄰近效應可知，某一導體的高頻電流在鄰近的導體層會(huì )形成鏡像電流。對于雙層銅排，當信號路徑與地平面互相疊層，并使滿(mǎn)足絕緣層厚度的間距遠小于導體寬度時(shí)，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個(gè)內部平面上，部分高頻磁場(chǎng)能夠相互抵消[2]，從而減小回路中的電感。

3.1.2 取合適長(cháng)寬比

疊層母排的總等效雜散電感為

LB=LI+LC (3)

式中：LI為母排內部等效電感，與頻率有關(guān)，頻率越高，內電感越小[3]，此處可以忽略不計;LC為母排外部等效電感

根據文獻[3]可知，

當t

(4)

式中：t為單層銅板厚度;d為絕緣層厚度;l為疊層母排長(cháng)度;w為疊層母排寬度。從式(3)可看出，母排長(cháng)度越短，寬度越大，電感越小。

3.1.3 支撐電容布局設計合理

盡管采用了疊層母排，可以有效減小雜散電感，但是電感還是存在的，而且功率器件本身的寄生電感也是無(wú)法消除的。因此，直流側應設置一定數量的支撐電容，以便有效抑制雜散電感。目前，風(fēng)電變流器上常用的支撐電容主要有兩種：鋁電解電容和膜電容。由于鋁電解電容的耐壓等級較低，一般需要大量的并串聯(lián)，所以其母線(xiàn)設計比較復雜，而且鋁電解電容發(fā)熱嚴重，壽命短，逐漸被膜電容取代。膜電容擁有耐壓高、壽命長(cháng)、發(fā)熱少等諸多優(yōu)點(diǎn)，正獲得越來(lái)越廣泛的應用。由于膜電容耐壓高，額定工作電壓可達1100V，在低壓風(fēng)電變流器中一般就不需要串聯(lián)，簡(jiǎn)化了母排設計，也減小母排寄生電感，建議優(yōu)先選擇膜電容作為直流側支撐電容。在電容布局設計時(shí)，要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

⑴ 電容的擺放很重要，如圖1所示，圖1(a)與圖1(b)的區別僅在于電容端子方向正好相差90°，電流路徑構成的環(huán)路面積就大不相同。環(huán)路面積越小，電感越小。因此，圖1(b)布局優(yōu)于圖1(a)布局。

圖1 電容兩種不同的擺放方式構成的環(huán)路面積：(a)回路面積大，不合理;

(b)合理，應采用此種擺放方式