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500KW三电平三相光伏逆变器单元125KW设计

我的125KW三电平三相光伏逆变器已经成功有一段时间了,目前正在紧张的产品优化过程中。在设计本三电平三相逆变器的时候,没有性价比高且更合理的驱动器,适配板,接口板以及驱动电源等作为参考。
全部都是我先规划好,通过系统级仿真进行性能摸底和排查。并最终确定实际的产品形式。
125KW三电平三相光伏逆变器输出电流波形
大家知道,三电平不好搞定的原因主要是:
1、一个桥臂里开关管数量多了一倍,算法较两电平复杂很多,我前期搭建了一个算法模型进行了摸底;
2、因为开关管数量多了一倍,因此整个系统的开关模型多了几十倍。且由于IGBT是一个开关器件,有较大的寄生参数,因此在开关过程中的传导问题与传统的三相半桥系统比较差;
3、三电平系统电路输入侧有一个中点电位点,因此导致系统中生成了三个环路,带来的辐射问题也比较突出;
4、中点电位在开关过程中是跳跃不停的,抑制中点电位漂移是比较难处理的。我在实验中根据对IGBT器件、安规、EMC和系统集成的经验和认识。无需算法修改,也无需外加辅助电路的情况下,顺利地抑制了中点电位不平衡的问题。每个IGBT输出的Vce都基本上等于方波,无振荡或跌落。
125KW三电平三相光伏逆变器波形
125KW三电平三相光伏逆变器波形
欢迎与大家多交流沟通。
系统是T型三电平。
I型三电平有很多的问题,包括几个环路的充电回路与放电回路不同,如果母线设计不合理,振荡降比较厉害。四个IGBT均承载功率,再加几个二极管的损耗,效率上没有T型高。
为什么我说EMI特性比两电平差,主要是耦合途径多了很多,且两电平有一个环路,而三电平有三个环路(I型环路更复杂,因此I型要难做一些)。
从我目前实验的结果来看,EMI特性比两电平要差。还有一个重要的原因是因为中点电位抖动导致。
我没有用算法,也没有加辅助MOSFET控制电路,而是就用基本拓扑,根据我对器件和系统的认识抑制住了中点电位抖动问题。最简单的办法是最好的办法。
而且我还抑制了所有IGBT的振荡,因此没有额外的能量损失。Vce波形均为方波。可以从线电压的测试结果接近方波看得出来。
30楼lianqu8421| 本网技师 (221) | 发消息2014-01-08 20:25
您好!我是做光伏发电集成系统的,向您请教个问题,现在有些逆变器厂家用这种125kW三电平的逆变器4个并联成一个500kW逆变器,真实效率确实能到98.7%,而常规的2电平一般到不了,我亲自见过的最大效率也只有98.5%,其实好多厂家都是炒作。想问的就是4台逆变器并联时的环流问题和共模电压干扰问题是怎么处理的?
还有就是中功率等级的三电平逆变器也存在这种问题,期待解答,不胜感激,因为在现场遇到过多台并联系统产生低频振荡的问题
31楼milandini| 本网技工 (141) | 发消息2014-01-09 09:12
目前500KW的实现主要有几种办法。
第一是在一个散热器上或一个系统里面用几个IGBT并联,这几个IGBT的驱动信号是一致的,由于IGBT是大功率高电压应用器件,且有较大的寄生电容,电路系统中处理不好(实际也是寄生参数等没有处理好,有一定的延迟,处理措施不好,则延时时间离散度较大),由于各个IGBT开关延时而造成有的IGBT先开有的后开,因此会造成各个IGBT之间有环流产生。后果是,会造成效率下降;环流可以用一定方法在一定程度上分析为共模骚扰,会引起谐振威胁IGBT的安全,并可能造成MCU的误动作。我最大做过四个IGBT的并联(500KW,两电平),且处理效果非常好,抑制了VGE和VCE的振荡,四个IGBT的VGE和VCE重合度非常好,且都可看作是方波(即抑制了振荡);
500KW系统方案-一致性处理
电流大动态变化时的均流情况
电流大动态变化时的均流情况
电流大动态变化时的均流情况
至于三电平几个IGBT并联的设计要比两电平的难做很多。根本原因是,第一,耦合通路多;第二,开关频率快;第三,驱动延时会加剧中点抖动;第四,驱动器的处理,着重提一下,三电平的驱动器与两电平有较大差别。我原计划年后开展500KW三电平4个IGBT并联的设计研究。
 
第二是您提出的,四个125KW功率逆变组件并联,这个办法相对要好处理一些。因为单个单元中只是采用了single IGBT,在一定程度上共模骚扰会好处理很多。但是带来的另外一个问题就是均流了,因此这样的系统监控的设计就尤其重要了,四个组件分别采集电流及电压,根据动态变化去控制占空比的大小,以达到四个组件的电流或电压差别不大。这样的系统会复杂一些,技术上要简单一点。单系统的成本可能会比上一种系统要高10%-20%以上。
从理论上来说,并联的个数越少,动态均流越好处理,但是成本相对较高。我用四支并,这样的IGBT可以选择电流小一些的,成本要便宜些。主要麻烦是技术难度较大。包括功率母排、汇流条、布局、热分析、大动态分析、小信号处理、驱动器设计及调整。
目前很多公司只开发一款标称的逆变器组件,需要多大功率就用来并联实现,这样做的产品是标准件,可以减小整体研发成本和公司投入成本。例如华为。但是带来的问题是体积、材料多,而且必须在监控设计上面投入大量人力物力。
从未来来看,光伏的发展有几个特点,第一,它是融资工具,投资大,回报稳定,是养老保险金、医保社保等投资的绝佳工具。而且国家已经逐步放开限制,允许银行与电站的采购交易;第二,它的未来必然走向白色家电,类似于空调在家庭的应用,必然会要求强调功率密度,易操作性。集成度高会有优势。第三,必然走向智能化。包括自愈、自平衡、自恢复等功能。
目前的组件并的方式个人认为只是权宜之计。这是因为国家前几年强调大型光伏电站发展,不缺空间,因此大家都不注意。
我对IGBT和功率组件的观点是必然走智能化的路子。
例如IGBT驱动器很多客户不知道如何选择驱动电阻、并联时该如何调整相关参数、以及IGBT的保护阀值该如何选择,目前我有一些idea。
其次功率组件的部件很多,包括电容、IGBT、驱动器、接口板、母排、铜条、散热器、风扇等等。前三者是易损器件,可以通过一些办法来进行有效的控制,减小损坏可能,或者说当损坏发生时,可以通过一些办法把损坏器件隔离出去,达到自愈的目的。由于是大功率应用,反应时间必须迅速,必须考虑到大动态、寄生参数、共模骚扰等的影响。
四个组件并联时,通过CAN通讯或其他方式不停地采样各个组件的状况,并通过算法调整各组件的占空比,以调整电流或其他性能达到动态平衡。这并不是新技术。
 
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