大功率風電變流器中的母排設計

1 引言

與普通逆變器、變流器相比，風電變流器有以下幾個特點：①功率密度大，直流側電壓高;②使用環(huán)境惡劣，國內風電場一般集中在東北、華北、西北和沿海地帶。東北和華北寒冷、溫差大;西北部風沙大、灰塵多;沿海地區(qū)空氣濕度大、腐蝕力強;③連續(xù)工作時間長，在風力較好的季節(jié)，變流器經常連續(xù)幾個月處于滿負荷運行狀態(tài);④可能會出現(xiàn)陣風、臺風等惡劣天氣。這些特點對風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，沒有考慮到風電變流器的特殊要求，可能會出現(xiàn)下面幾個問題：①母排過熱，這是由于風電變流器的直流側電流大、電壓不穩(wěn)定，再加上風季時長時間處于滿功率運行狀態(tài)，容易導致母排過熱;②母排電感過大，產生過高的尖峰電壓，導致安全裕量變小，當遇到陣風、臺風等惡劣天氣時，變流器直流側電壓會短時急劇升高，功率器件很可能出現(xiàn)過壓，嚴重時可能會導致功率器件炸毀，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去，很可能導致功率器件承受過大的應力，風電變流器的功率比較大，母排一般都比較大，電容數(shù)量多，更增加了這種風險;④母排防護不夠，隨著灰塵、潮氣的侵入，導致絕緣失效。

因此，針對上述問題，本文提出了風電變流器直流側母排設計原則及要點。實踐證明，根據(jù)這些原則及要點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)境中長時間運行。

(5)經濟適用，節(jié)省材料。

3 設計準備

在進行直流側母排結構設計之前，要首先明確以下幾方面的問題。

⑴ 確定風電變流器的工作環(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(qū)還是潮濕地區(qū)。并根據(jù)這些環(huán)境條件來確定環(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，收集相關元器件規(guī)格書。

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

⑷ 使用壽命。使用壽命的選取會影響到直流母排的結構工藝及其絕緣材料的選擇。風電變流器的壽命一般要求20年，故對直流母線的壽命也一般要求不低于20年。這樣，在產品的生命周期內，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(shù)等一些具體要求以后，就可以開始母排的設計。首先，依據(jù)電流大小計算銅板的截面積。需要注意的是不要選擇過厚的銅排，因為電流流過導體存在集膚效應[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。風電變流器的功率器件開關頻率一般為2kHz -3kHz，就以3kHz為例，根據(jù)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。如果沒有注意到這一點，不但浪費材料，還往往伴隨出現(xiàn)母線過熱的現(xiàn)象。

此外，直流側母排設計應重點考慮以下幾個要點。

3.1 盡量減少電感

由于雜散電感的作用，在IGBT關斷時會出現(xiàn)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途徑：① 通過改變門極驅動電阻的值來減小di/dt，將導致開通和關斷的時間延長，功率器件的損耗增加，這會使變流器的效率降低，而且給功率器件的散熱也將帶來挑戰(zhàn)。所以靠減小di/dt來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鍵。為獲得低電感的母排，在母排設計時可以從以下幾個方面考慮。

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?jié)M足絕緣層厚度的間距遠小于導體寬度時，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個內部平面上，部分高頻磁場能夠相互抵消[2]，從而減小回路中的電感。

3.1.2 取合適長寬比

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，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(jù)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為疊層母排長度;w為疊層母排寬度。從式(3)可看出，母排長度越短，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法消除的。因此，直流側應設置一定數(shù)量的支撐電容，以便有效抑制雜散電感。目前，風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、發(fā)熱少等諸多優(yōu)點，正獲得越來越廣泛的應用。由于膜電容耐壓高，額定工作電壓可達1100V，在低壓風電變流器中一般就不需要串聯(lián)，簡化了母排設計，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，要注意以下兩個問題：

⑴ 電容的擺放很重要，如圖1所示，圖1(a)與圖1(b)的區(qū)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