薄膜电容器在风电IGBT模块PWM变流器中的应用

薄膜电容器相对于电解电容器有诸多优势，已经越来越多的应用在IGBT变流器场合。由于IGBT器件的快速开通和关断，在变流器直流侧电流中所引起的开关频率及其偶数次的高频分量，这部分纹波电流都需要流过中间直流滤波电容。
本文通过计算IGBT模块风电变流器直流环节的电容量和纹波电流，选取合适的薄膜电容器应用于风电变流器直流环节，取代铝电解电容器。利用Matlab仿真软件，使用改进的控制策略，验证了最小电容量选取原则的可行性。将此原则应用于2MW风电用双馈变流器直流环节薄膜电容器的选型，取得了较为理想的效果。
0引言
在兆瓦级变速恒频风电机组中，变流器作为核心部件，多采用PWM整流器组成背靠背的拓
扑结构(图1)。 图中，靠近电网的虚线框内部分称为电网侧变流器，靠近DFIG电机的虚线框内部分称为电机侧变流器，两个变流器通过直流母线及支撑电容器相连接。
直流母线支撑电容器用来缓冲电网侧变流器与负载之间的能量交换，稳定直流母线电压，防止因负载的突变造成直流母线电压大幅度波动，并抑制直流侧谐波电压。直流母线支撑电容器的容值越大，电网侧变流器和电机侧变流器彼此依赖性越小，直流母线电压波动越小。目前，普遍采用铝电解电容器作为变流器的直流母线支撑电容器，其价格相对便宜，技术成熟。但是，铝电解电容器单体耐压低，纹波电流能力较小，随时间和温度的老化较快，且不适合长期存放；在实际应用中，需要以多组串联确保耐压等级，以多组并联满足纹波电流要求，以增加散热通道保证使用环境温度；因此，使用电容较多，母排设计复杂，整体可靠性不高。由于薄膜电容器具有耐压高、纹波电流大、杂散电感小、温度范围宽、使用寿命长等优点，在风电变流器中应用具有独特的优势，可确保变流器使用寿命达到20a，提高系统可靠性。
1采用薄膜电容器的优势
薄膜电容器采用金属化安全膜，具有自愈功能，寿命较长；在不同工作温度下，其性能优于电解电容器。薄膜电容器无正负极之分，两极可任意使用，母排设计简单。
与铝电解电容器相比，薄膜电容器的杂散参数较小，等效串联电阻(ESR)和寄生电感非常低。等效串联电阻小，可以减少纹波电流在电解电容器中发热及功率损耗，提高电容使用寿命。直流母线寄生电感小，可在功率器件关断时不出现很高的感生电势，减少功率器件的关断损耗，避免感生电势过高而击穿功率器件。
风力发电的变流器直流侧电压一般在1000V左右，若采用电解电容器，需要2～3组串联，以满足直流母线电压的耐压要求；若采用薄膜电容器，单只即能满足要求。这样，直流母线支撑电容器的串、并联结构就可以直接转换为单纯并联的结构，降低了直流母排的杂散参数。此外，薄膜电容器可承受纹波电流的能力也远大于铝电解电容，因此所需要的并联只数较少。
采用薄膜电容器作为网侧变流器的直流支撑电容器，可以确保20a的使用寿命，而且由于薄膜电容器的低ESR，使电路中功率器件上的电压应力大大减小，有利于功率器件的工作状态与可靠性。因此，在大功率风电变流器的直流侧，以薄膜电容器取代铝电解电容器作为支撑电容是必然的趋势。
2采用薄膜电容器的可行性
由于薄膜的耐压能力及耐纹波电流能力较大，因此在满足电压及纹波电流的要求下，所需要的电容数及总电容值比采用电解电容有较大减少。通常情况下，同一机组，采用薄膜电容器的电容值只是采用铝电解电容器的1/3。直流母线支撑电容器的容值越大，直流母线电压波动就越小。因此，为了满足直流波动指标要求，使用薄膜电容时，须要采用一定的控制策略来弥补电容值减少所带来的波动风险。
理论上，PWM网侧变流器的电流动态响应速度可与机侧变流器电流动态一样快。如果通过控制使网侧变流器侧的直流电流与机侧变流器侧的直流电流相等，直流母线支撑电容中就没有电流流过，直流母线电压就不会变化。这样一来，就可减小直流母线支撑电容量。但实际上，由于参数误差以及控制动作的延迟，不可能有完美的控制方法，并且在PWM技术中，反馈控制存在至少一个步长(一个PWM周期)的延迟，网侧变流器至少在一个PWM周期内依然处于开环控制状态，这将导致直流母线上的电压升高或者降低，电压波动的幅度会随着直流母线支撑电容量的增大而减小，直流母线电压变化的幅度可以通过增大直流支撑电容量来限制。因此，还是需要一定容量的直流母线支撑电容来避免直流电压的明显波动。
增强直流母线电压的动态响应速度，对直流支撑电容器容值的要求就会降低。前人已对加速直流母线电压动态响应的PWM整流器控制方法进行了许多研究工作，主要控制方法有利用直流母线电流采样值对电流指令节点进行前馈补偿；应用基于前馈项的预测电流控制策略以及模糊控制策略；无差拍控制策略配合电流预测来增加电流控制器的带宽；反馈线性化技术；以逆变器动态为主整流器动态为从的主从控制器；补偿项加于电压节点的快速补偿策略等。通过仿真和试验验证，这些方法均可实现直流母线电压的快速动态响应，将其用于风电网侧变流器的控制，可以解决以薄膜电容器替代铝电解电容器作为直流母线支撑电容器所产生的稳定性问题。