光伏逆变器直流母线电容参数计算与验证.docx

光伏逆变器直流母线电容参数计算与验证何建华导语：新能源光伏发电近年受到大中小企业的追捧，国家大力提倡并支持光伏产业的同时也滋生了光伏逆变器的功率构造多样性。摘要：新能源光伏发电近年受到大中小企业的追捧，国家大力提倡并支持光伏产业的同时也滋生了光伏逆变器的功率构造多样性。如今光伏并网逆变器根据电站或用户的需求，可实现逆变装置内单元并联和以光伏装置为单位的多逆变器设备并联。本设计100kw光伏逆变器内的直流母线电容容量，根据最大功率和IGBT极端工作下分别计算电容容量，根据厂家电容手册的参数计算并验证电容值的可行性。最终为100kw光伏逆变器选定适宜的电容规格型号。1引言光伏逆变器根据应用不同场合，其容量也不尽一样。单从采购的一致性和批量本钱考虑，我们希望装置元器件在不同功率等级下应用尽可能保持不变；当然这对绝大多数功率器件来讲是很难做到的。然而，由于装置可能是一体机或者内部多功率单元并联的构造，使得直流母线电容选型的一致性成为可能，本文主要从以下几个方面来讲明直流母线电容的计算和选择根据。1功率直流母线电容的选择通过最大功率考虑逆变器转换率与IGBT直通极端条件分别计算直流母线电容容值。2计算与仿真比拟直流母线波动电压的峰峰值根据公式计算直流母线的峰峰值，并于光伏逆变器MALTAB仿真中直流母线电压的波动比照，找出最大值作为之后的计算根据。3电容峰值电流和周期内的有效值通过法拉电容厂家手册中的参数计算Ih和Irms，进而求出一支电容上的周期平均电流Irms1。4根据热功率和环境温度，验证电容参数公道性。2最大功率直流母线电容的选择单级式三相光伏并网发电系统拓扑，主电路由100kW光伏组件、直流母线电容Cdc、三相电压源型逆变器、LCL滤波器以及三相三线制的电网组成。其中，Linv为逆变器侧电感值；Lg为网侧电感值；Cf为滤波电容。光伏组件产生的直流能量经逆变器转换为三相沟通电送入电网。三相光伏逆变器如图1所示。图1三相光伏逆变器主电路拓扑当电网故障导致并网点电压发生跌落时,按照常规的光伏逆变器的并网控制思路,逆变器保持最大功率输出。假设功率恒定,在直流侧的电流关系式为1根据功率平衡关系,网侧功率与直流侧功率相等,那么功率关系式为2根据能量守恒,那么有3当电网故障到并网点电压跌落所需的时间极短，因此并网点电压Uabc跌落几乎瞬间完成，这将导致光伏逆变器输出功率Pg瞬间减小。假设保持原有的MPPT控制算法，光伏组件的输出功率稳定在最大功率点。在不考虑能量传输损耗的条件下，电网电压跌落瞬间，并网输出功率将保持与直流侧输入功率一致，因此并网电流将不断增大；考虑到控制系统中调节器的调节作用，跌落瞬间电流有调节经过，因此输出功率跌落时的瞬态将是一个振荡调节经过。由功率平衡关系，直流母线上的能量将瞬间堆积，母线电压将会升高。对于并网点电压细微跌落条件，并网电流不超过逆变器平安范围时，电网的故障不影响光伏并网发电系统的控制运行。发生深度跌落时，那么可能引起逆变器瞬间过流、直流母线过压等故障，如不采取相应措施，将造成逆变器因自己保护而脱网。在光伏新能源浸透率较高的地区，假设光伏电站大规模脱网运行，将导致电网的有功出力大幅度减少，增加整个电力系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，引起其他电站解列，导致大规模停电事故。为解决上述问题，需要对大功率并网逆变器的低电压穿越控制技术进展深化研究。这里，我们只考虑直流母线电容的电压和容量选择。考虑到直流母线电压波动，该设计选择可以应用薄膜电容器；但是假如纹波电压在比拟小的范围内波动，极性电容也是可以承受的。1额定电压；通常为1.2-1.5倍的直流侧过压才能。2电容容量Q；Q值与IGBT开关期间内对其直流母线电容充放电的载波频率也即开关周期有关；即一个PWM开关周期内，IGBT开通时电容为逆变器提供输出的能量；IGBT关断时电网通过逆变器三相IGBT的体二极管给直流侧电容充电。在一个开关周期内，直流母线所需要提供的能量为:4式中，为逆变器效率；fs为开关频率。w即为IGBT开通周期内电容释放的能量与太阳能极板输出的能量之和。设直流母线电容为无损器件，在IGBT开通和关断时其充放电平衡，可知其充电能量为Q，计算见如下公式5式中，U为直流母线电压，U为母线纹波电压。所以，我们可以以为在开关周期内，逆变器输出能量为电容充电能量的2倍，即W=2Q6本设计中逆变器直流侧有功功率为100Kw，效率为98.6%，fs为8Khz，母线电压为550V，而根据模型仿真可知为2V。留意，在这里我们的设计参数要在足够大的范围内，这样即使调试环境或惯性环节有变化，我们也可通过软件调整到适宜、稳定的目的值。根据以上公式，计算本设计母线电容容量如下：73极端条件下IGBT直通，无功支撑电网时母线的电容器容量选择逆变器输出电流：假设输出功率P为100KW，沟通输出电压Uout为315V，角频率为314，由公式6和7计算出C为1853uF。4计算与仿真比拟直流母线波动电压的峰峰值u根据直流母线电容的充放电经过可知，一个开关周期内母线需要提供的能量为Win。一个开关周期内电容释放的能量为Q由式3可以推出10这里根据以上设计参数计算，直流母线理论的峰峰波动u值为3V；而在MATLAB光伏逆变系统仿真中，观测到直流母线波形的峰峰波动u值为10V。为了知足两者的综合设计，这里取u值为10V。5峰值电流Ih的计算一个周期的峰值电流由式4、10和11结合计算得出：可知：Ih=76.8A6周期内的电流有效值Irms由于冲击电流，计算损耗时温度系数不可取，所以在这里要做多支电容并联。用4支500uF的电力电容并联分流后，可得到Irms1值设直流母线纹波波动最高频率为4Khz，那么由式12可知Irms为54.3A。故可以计算出一支电容上的电流有效值；电容采用法拉电容器厂家的参数规格，根据其电容的ESR电容等效串联电阻值和Rth绕组热门和外界自然冷却之间的热电阻有关参数可知，在环境温度上限85度下计算得到：由式13可求出：Pt为0.295；H为1.3K；Qu为356.7K7、结论根据法拉厂家的参数计算，最终得出电容的环境温度余量为83.7°，比照夏天环境温度为40度为基准的话，会看到温度会冗余出40多度。对于电容器件的选择，我们一般会以大厂家的电容值范围为参考，这里以法拉厂家的产品参数为例。从厂家选型手册中，找出容量为420uF的电容。即在一个100KW的单元中，用单支420uF的电容4支并联使用即可。0