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薄膜电容器在风电IGBT模块PWM变流器中的应用(2)


3薄膜电容器的选型方法
3.1电容量
虽然大容量的支撑电容器可以抑制直流母线电压波动,但出于成本及可靠性考虑,还须尽可能地减少直流侧电容量。因此,我们要计算在最坏情况下满足稳定性要求的直流支撑电容量的理论最小值。为了得到这个最小值,须要考虑直流母线电压在一个PWM周期内升高到最大值的极端情况。理论最小电容值就是要阻止电压超过特定值的电容值。如果限定直流母线所能承受的电压波动,就会得到直流母线电容量的最小值。
定义在一个PWM周期内直流母线支撑电容器上的能量变化为ΔE,ΔE可以分解为网侧和机侧能量变化之和,ΔE=ΔEconverter+ΔEinverter。为了得到直流母线电容量的最小值,须要考虑最坏故障情况,即机侧和网侧变流器同时有最大能量流向直流母线支撑电容,分别找到机侧和网侧能量变化ΔEconverter和ΔEinverter的最大值,得到网侧和机侧能量变化的最大值之和,ΔEmax=ΔEconverter,max+ΔEinverter,max。此时考虑的分别是各自的最坏情况,与实际的任何运行状态无关。ΔE是网侧和机侧电压电流向量的函数,并且与PWM周期有关。
由于E=1/2CU2,ΔE直接影响直流母线电压。电容器在t时刻储存的能量为
其中:ΔVdc=Vdc(t)-Vdc(0)。
因为 ,所以电容器电压升高的最大值计算如下
其中:ΔVdc,max
是对应最大能量变化ΔEmax时的最大电压增量。要将直流母线电压波动ΔVdc,max限定在一定范围内,比如ΔVdc,max≤λV'dc。V'dc为直流母线参考电压;λ是设计参数,0<λ<1;如果λ=0.1,代表电压变化要小于直流母线参考电压的10%。进一步假设Vdc(0)=V'dc,对于给定的λ,理论最小电容值就可以通过下式得到:
3.2纹波电流
在选取电容时,除电容值须满足上述约束条件外,还必须考虑到电容器的耐纹波电流能力。在实际设计过程中,由于电容器的纹波电流受变流器各输入输出量变化以及控制方式等影响,很难直接通过计算得到,一般根据经验公式或者计算机仿真的方式来估算。如果推导出一个电容器纹波电流的表达式,在设计PWM变流器系统直流电容时将有明显优势。根据对变流器拓扑结构的分析,可以得到直接计算直流母线电容器纹波电流的方法。
由图1可以看出,直流电容纹波电流为网侧变流器输出电流和机侧变流器输入电流之差,iC=iconverter-iinverter。这两个电流都可以分解为直流分量与交流分量之和:
直流电容纹波电流可写成iC=iconverter,ac-iinverter,ac。显然,该电流仅由以上两个电流的交流分量构成,机侧变流器的直流分量可以看做直接由网侧变流器供给。
其中:φU=ωNt=2πfNt,fN为网侧变流器输出频率。由于这两个电流不包含同频谐波:
因此,
显而易见,直流电容纹波电流有效值由来自网侧变流器的交流分量和来自机侧变流器的交流分量两部分组成。因机侧变流器而形成的纹波电流:
其中:Iout,rms为机侧变流器输出电流有效值;M为调制比。由网侧变流器引起的直流母线电容纹波电流可由以下公式计算得出:
其中:C为直流母线电容;Umax为网侧变流器输出电压最大值,U为网侧变流器输入电压有效值;fR为网侧变流器整流输出脉动频率;tc和tdc分别代表直流母线电容的充放电时间。综合以上两部分的数学表达式,可以得到流过直流母线电容的纹波电流表达式。可以看出,直流母线支撑电容器的纹波电流与变流器输入电压及输出电流、负载功率因数、PWM调制比、电容量、直流电压波动范围等因素有关。
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