基于風(fēng)電系統單體變流器的結構應用設計

本文介紹了風(fēng)電變流器核心組成部分的單體變流器在機柜結構設計中空間狹小、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，本文進(jìn)行了結構設計分析。主要內容包括：?jiǎn)误w變流器的組成布局、功率器件維護、結構受力，以及可維護性等。

1.引言

風(fēng)電變流器主要在塔底甚至機艙內運行，大多數主機廠(chǎng)家都對變流器的外形體積有較為嚴格的限制。直接導致變流器的結構設計布局要足夠的緊湊，且并能滿(mǎn)足電氣性能要求、散熱要求、可裝配性、現場(chǎng)可維護性、人員可操作性、經(jīng)濟性等[1].本文針對這些要求，對單體變流器的結構設計進(jìn)行分析評估。

2.工作原理

單體變流器內部結構圖如圖1所示。主要由IGBT、散熱冷板和電容連接構成。IGBT是整個(gè)單體變流器的核心。IGBT以其輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為功率半導體器件發(fā)展的主流器件。本文示例所用的IGBT為德國SEMIKRON水冷，其型號為SKIIP2403，內部有4個(gè)IGBT功率元件組成，每個(gè)功率元件都反并聯(lián)一個(gè)二極管，對其具有保護作用。

IGBT的控制是通過(guò)光電轉換板，把外界的光信號轉換成電信號，并由扁平電纜與IGBT相連來(lái)實(shí)現通信的。光纖有三路信號，一路為發(fā)送模塊本身故障信號，模塊無(wú)故障時(shí)，送出常亮光；另外兩路為接收信號，一路為高電平，一路為低電平信號。另外IGBT的驅動(dòng)電源為24V，IGBT的模塊電流和溫度可以由IGBT模塊本身檢測并送出，這些功能的實(shí)現也是通過(guò)扁平電纜完成的。

直流側通過(guò)六個(gè)并聯(lián)的電容與直流母排相連接，用來(lái)對直流側的電壓進(jìn)行支撐，保證直流電壓的穩定。支撐電容通過(guò)層疊母排連接，層疊母排為兩層結構，中間是耐老化、耐腐蝕的絕緣物質(zhì)，外覆絕緣包覆壓合封邊。




圖1 器件布局圖

3.設計準則

3.1總體器件布局

保證散熱良好由于變流器的運行時(shí)發(fā)熱量大，其大部分的熱量由水冷板的冷卻液帶走，但依然會(huì )余留一部分熱量在柜體內，加上母排等發(fā)熱，而且大部分變流器空間相對緊湊，因此結構設計要充分考慮保證散熱。

3.1.1敞開(kāi)式設計

密閉式結構每個(gè)模塊需要單獨加裝散熱風(fēng)扇以期能達到理想的散熱效果，相較于密閉式的單體變流器（如圖2），建議采用敞開(kāi)式設計（如圖1），這樣，一方面有利于對發(fā)散原件（如IGBT和電容）的散熱。一方面結構布局簡(jiǎn)單明了，拆裝便宜，不僅具有經(jīng)濟性，更提高了加工生產(chǎn)過(guò)程的工作效率。


圖2 密閉式單體變流器結構示意圖

3.1.2豎立放置設計

根據熱氣流由下至上的流動(dòng)原則豎直放置單體變流器，保證單體變流器的自然散熱的氣流通暢。布置電容時(shí)，在空間允許的條件下，盡可能拉大電容的間距，以減小散熱阻力。

3.2支撐電容布置

膜電容和鋁電解電容是風(fēng)電變流器中常用的兩種支撐電容。因鋁電解電容的耐壓等級較低，需要對其大量的并串聯(lián)，故其結構設計比較復雜，且其發(fā)熱量大，使用壽命短，現已逐漸被膜電容取代。膜電容具有耐壓能力高、使用壽命長(cháng)、發(fā)熱量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電變流器中正被越來(lái)越廣泛的應用。由于膜電容的額定工作電壓可達1100V，在低壓風(fēng)電變流器中一般就不需要額外串聯(lián)電容箱，簡(jiǎn)化了結構設計。作為直流側支撐電容建議優(yōu)先選用膜電容。

在電容布局設計時(shí)，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

3.2.1多電容并聯(lián)優(yōu)于大容量的超級電容

如圖3（a）所示，大容量的超級電容的電流路徑有交叉，高頻磁場(chǎng)強，電感大，電流流向不佳；而采用多電容并聯(lián)如圖3（b）所示，正負極電流路徑重疊，高頻磁場(chǎng)被抵消，回路的電感得到降低，從而使電流流向得以改善[1].


圖3

3.2.2電容的擺放方向

如圖4所示，圖（a）電容的正負極連線(xiàn)平行于電流流向，圖（b）電容的正負極連線(xiàn)垂直于電流流向，兩者電容擺放方向相差90o.此二者布局構成的電流路徑的環(huán)路面積就大不相同。


圖4 電容擺放方向差異圖

環(huán)路面積越小，電感越小。顯而易見(jiàn)，圖（a）的環(huán)路面積小于圖（b）的環(huán)路面積。圖（a）合理，應采用此種電容擺放方式。

3.2.3對稱(chēng)布置電容

隨著(zhù)風(fēng)機向更高功率等級發(fā)展，采用多個(gè)功率器件并聯(lián)來(lái)實(shí)現功能要求的設計越來(lái)越廣泛。設計采用多個(gè)功率器件并聯(lián)，電容分布應相對于功率器件對稱(chēng)布置，一方面避免個(gè)別的電容因承受較大的電流而發(fā)熱嚴重，另一方面有利于各功率器件的均流。

3.3電氣件的軟連接保護

變流器在運行中會(huì )出現振動(dòng)的現象。結構設計中如果采用剛性連接會(huì )造成應力集中，減少器件的使用壽命，甚至造成傷害。設計考慮用軟連接，降低預應力。

單體變流器的IGBT和電容剛性固定在安裝基板上，IGBT直流側與電容連接處較多，裝配時(shí)容易產(chǎn)生預應力，設計使用層疊母排，銅排厚度1.5-2.5mm，設計時(shí)要求在引腳處進(jìn)行退火處理，降低銅排的硬度，表2所示為退火前后銅排硬度和導電率的對比[2].

由上表得出，退火處理對銅排的導電率幾乎沒(méi)有影響，同時(shí)會(huì )大大降低銅排的硬度。在保證銅排良好的導電性能的同時(shí)，增加銅排彈性，降低銅排的硬度。

另外，IGBT模塊和交流輸出排均為剛性固定在安裝基板上，導致IGBT模塊與交流輸出排之間存在剛性連接，如果使用硬銅排，會(huì )在變流器運行過(guò)程中不可避免的出現預應力，造成銅排發(fā)熱，甚至燒壞銅排和器件。設計使用T型均流排，增加導流面積，可以采用厚度較?。ū纠秊?mm）的銅板料，也對其采用退火處理，增加材料的彈性。保證其連接有效的同時(shí)，消除變流器運行引起的應力。

3.4保證均流

前面的電容布局設計中，提到電容布局應盡量相較于功率器件堆成布置，力保功率器件均流。


圖6 均排流使用示意圖

同樣，單體變流器交流輸出排在上出或下出輸出電流的情況下，IGBT交流側4個(gè)功率模塊不均流現象明顯。

設計用T型折彎均流排將IGBT交流側4個(gè)出線(xiàn)端出來(lái)的電流匯流到T型的折彎區，然后再通過(guò)交流輸出排流出，能較好的降低不均流現象。

3.5交、直流以及水路采用出線(xiàn)靈活

風(fēng)電變流器各主機廠(chǎng)提出的機側、網(wǎng)側以及水路接口位置存在差異。故在設計結構時(shí)，應考慮單體變流器的結構對個(gè)主機廠(chǎng)的適應性。


圖7 水管后出、交流排上出


圖8 水管前出、交流排后出

首先，交流排為前出，可根據客戶(hù)的設計需求更改上、下的兩種出線(xiàn)方式。圖7為交流排上出，圖8為交流排下出。其次，水管進(jìn)出線(xiàn)可前出和后出兩種出線(xiàn)方式。圖7為水管后出，圖8為水管前出。這種設計可以通過(guò)簡(jiǎn)單的結構件安裝方式的變化而達到電路和水路設計的變化。從而可以適用不同風(fēng)電主機廠(chǎng)家。


圖9 單體變流器水平放置底部示意圖


圖10 單體變流器手孔放置示意圖

3.6可維護性設計

單體變流器重量較大（本例約為25KG），在裝配、檢驗或是在現場(chǎng)故障檢查的情況下，人工安裝、拆卸存在一定困難。

設計中充分考慮單體變流器有變流器托架結構和變流器放置架結構，可使其豎直放置和水平放置（如圖9所示），保證其在廠(chǎng)內裝配、拆卸、運輸及檢查時(shí)的放置穩定。

另外，在其安裝基板上開(kāi)有4個(gè)80X30的跑道形手孔（如圖10所示），便于工作人員在裝配拆卸過(guò)程中，對其推拉和提升。

4.結束語(yǔ)

風(fēng)電變流器的運行環(huán)境惡劣，風(fēng)電變流器的運行不斷曝露了一些問(wèn)題。且隨著(zhù)技術(shù)的成熟，3MW、5MW等大功率風(fēng)力發(fā)電機組也逐漸問(wèn)世，單體變流器作為整個(gè)風(fēng)電變流器的核心部分，其結構設計的合理性，是關(guān)乎整個(gè)變流器正常運行的重要保障，本文以上例淺談了單體變流器結構設計的幾個(gè)注意重點(diǎn)，望于讀者有所借鑒。