薄膜電容器在風電IGBT模塊PWM變流器中的應用

薄膜電容器相對于電解電容器有諸多優(yōu)勢，已經(jīng)越來越多的應用在IGBT變流器場合。由于IGBT器件的快速開通和關(guān)斷，在變流器直流側(cè)電流中所引起的開關(guān)頻率及其偶數(shù)次的高頻分量，這部分紋波電流都需要流過中間直流濾波電容。
本文通過計算IGBT模塊風電變流器直流環(huán)節(jié)的電容量和紋波電流，選取合適的薄膜電容器應用于風電變流器直流環(huán)節(jié)，取代鋁電解電容器。利用Matlab仿真軟件，使用改進的控制策略，驗證了最小電容量選取原則的可行性。將此原則應用于2MW風電用雙饋變流器直流環(huán)節(jié)薄膜電容器的選型，取得了較為理想的效果。
0引言
在兆瓦級變速恒頻風電機組中，變流器作為核心部件，多采用PWM整流器組成背靠背的拓
撲結(jié)構(gòu)(圖1)。 圖中，靠近電網(wǎng)的虛線框內(nèi)部分稱為電網(wǎng)側(cè)變流器，靠近DFIG電機的虛線框內(nèi)部分稱為電機側(cè)變流器，兩個變流器通過直流母線及支撐電容器相連接。
直流母線支撐電容器用來緩沖電網(wǎng)側(cè)變流器與負載之間的能量交換，穩(wěn)定直流母線電壓，防止因負載的突變造成直流母線電壓大幅度波動，并抑制直流側(cè)諧波電壓。直流母線支撐電容器的容值越大，電網(wǎng)側(cè)變流器和電機側(cè)變流器彼此依賴性越小，直流母線電壓波動越小。目前，普遍采用鋁電解電容器作為變流器的直流母線支撐電容器，其價格相對便宜，技術(shù)成熟。但是，鋁電解電容器單體耐壓低，紋波電流能力較小，隨時間和溫度的老化較快，且不適合長期存放；在實際應用中，需要以多組串聯(lián)確保耐壓等級，以多組并聯(lián)滿足紋波電流要求，以增加散熱通道保證使用環(huán)境溫度；因此，使用電容較多，母排設計復雜，整體可靠性不高。由于薄膜電容器具有耐壓高、紋波電流大、雜散電感小、溫度范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點，在風電變流器中應用具有獨特的優(yōu)勢，可確保變流器使用壽命達到20a，提高系統(tǒng)可靠性。
1采用薄膜電容器的優(yōu)勢
薄膜電容器采用金屬化安全膜，具有自愈功能，壽命較長；在不同工作溫度下，其性能優(yōu)于電解電容器。薄膜電容器無正負極之分，兩極可任意使用，母排設計簡單。
與鋁電解電容器相比，薄膜電容器的雜散參數(shù)較小，等效串聯(lián)電阻(ESR)和寄生電感非常低。等效串聯(lián)電阻小，可以減少紋波電流在電解電容器中發(fā)熱及功率損耗，提高電容使用壽命。直流母線寄生電感小，可在功率器件關(guān)斷時不出現(xiàn)很高的感生電勢，減少功率器件的關(guān)斷損耗，避免感生電勢過高而擊穿功率器件。
風力發(fā)電的變流器直流側(cè)電壓一般在1000V左右，若采用電解電容器，需要2～3組串聯(lián)，以滿足直流母線電壓的耐壓要求；若采用薄膜電容器，單只即能滿足要求。這樣，直流母線支撐電容器的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)就可以直接轉(zhuǎn)換為單純并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，降低了直流母排的雜散參數(shù)。此外，薄膜電容器可承受紋波電流的能力也遠大于鋁電解電容，因此所需要的并聯(lián)只數(shù)較少。
采用薄膜電容器作為網(wǎng)側(cè)變流器的直流支撐電容器，可以確保20a的使用壽命，而且由于薄膜電容器的低ESR，使電路中功率器件上的電壓應力大大減小，有利于功率器件的工作狀態(tài)與可靠性。因此，在大功率風電變流器的直流側(cè)，以薄膜電容器取代鋁電解電容器作為支撐電容是必然的趨勢。
2采用薄膜電容器的可行性
由于薄膜的耐壓能力及耐紋波電流能力較大，因此在滿足電壓及紋波電流的要求下，所需要的電容數(shù)及總電容值比采用電解電容有較大減少。通常情況下，同一機組，采用薄膜電容器的電容值只是采用鋁電解電容器的1/3。直流母線支撐電容器的容值越大，直流母線電壓波動就越小。因此，為了滿足直流波動指標要求，使用薄膜電容時，須要采用一定的控制策略來彌補電容值減少所帶來的波動風險。
理論上，PWM網(wǎng)側(cè)變流器的電流動態(tài)響應速度可與機側(cè)變流器電流動態(tài)一樣快。如果通過控制使網(wǎng)側(cè)變流器側(cè)的直流電流與機側(cè)變流器側(cè)的直流電流相等，直流母線支撐電容中就沒有電流流過，直流母線電壓就不會變化。這樣一來，就可減小直流母線支撐電容量。但實際上，由于參數(shù)誤差以及控制動作的延遲，不可能有完美的控制方法，并且在PWM技術(shù)中，反饋控制存在至少一個步長(一個PWM周期)的延遲，網(wǎng)側(cè)變流器至少在一個PWM周期內(nèi)依然處于開環(huán)控制狀態(tài)，這將導致直流母線上的電壓升高或者降低，電壓波動的幅度會隨著直流母線支撐電容量的增大而減小，直流母線電壓變化的幅度可以通過增大直流支撐電容量來限制。因此，還是需要一定容量的直流母線支撐電容來避免直流電壓的明顯波動。
增強直流母線電壓的動態(tài)響應速度，對直流支撐電容器容值的要求就會降低。前人已對加速直流母線電壓動態(tài)響應的PWM整流器控制方法進行了許多研究工作，主要控制方法有利用直流母線電流采樣值對電流指令節(jié)點進行前饋補償；應用基于前饋項的預測電流控制策略以及模糊控制策略；無差拍控制策略配合電流預測來增加電流控制器的帶寬；反饋線性化技術(shù)；以逆變器動態(tài)為主整流器動態(tài)為從的主從控制器；補償項加于電壓節(jié)點的快速補償策略等。通過仿真和試驗驗證，這些方法均可實現(xiàn)直流母線電壓的快速動態(tài)響應，將其用于風電網(wǎng)側(cè)變流器的控制，可以解決以薄膜電容器替代鋁電解電容器作為直流母線支撐電容器所產(chǎn)生的穩(wěn)定性問題。