摘要：新能源光伏發(fā)電近年受到大中小企業(yè)的追捧，國家大力提倡并支持光伏產(chǎn)業(yè)的同時(shí)也滋生了光伏逆變器的功率結(jié)構(gòu)多樣性。如今光伏并網(wǎng)逆變器根據(jù)電站或者用戶的需求，可實(shí)現(xiàn)逆變裝置內(nèi)單元并聯(lián)和以光伏裝置為單位的多逆變器設(shè)備并聯(lián)。本設(shè)計(jì)100kw光伏逆變器內(nèi)的直流母線電容容量，根據(jù)最大功率和IGBT極端工作下分別計(jì)算電容容量，根據(jù)廠家電容手冊的參數(shù)計(jì)算并驗(yàn)證電容值的可行性。最終為100kw光伏逆變器選定合適的電容規(guī)格型號(hào)。

1引言

    光伏逆變器根據(jù)應(yīng)用不同場合，其容量也不盡相同。單從采購的一致性和批量成本考慮，我們希望裝置元器件在不同功率等級(jí)下應(yīng)用盡可能保持不變；當(dāng)然這對絕大多數(shù)功率器件來說是很難做到的。然而，由于裝置可能是一體機(jī)或內(nèi)部多功率單元并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使得直流母線電容選型的一致性成為可能，本文主要從以下幾個(gè)方面來說明直流母線電容的計(jì)算和選擇依據(jù)。

    （1）功率直流母線電容的選擇通過最大功率（考慮逆變器轉(zhuǎn)換率）與IGBT直通極端條件分別計(jì)算直流母線電容容值。

    （2）計(jì)算與仿真比較直流母線波動(dòng)電壓的峰峰值依據(jù)公式計(jì)算直流母線的峰峰值，并于光伏逆變器MALTAB仿真中直流母線電壓的波動(dòng)對比，找出最大值作為之后的計(jì)算依據(jù)。

    （3）電容峰值電流和周期內(nèi)的有效值通過法拉電容廠家手冊中的參數(shù)計(jì)算Ih和Irms，從而求出一支電容上的周期平均電流Irms1。

    （4）根據(jù)熱功率和環(huán)境溫度，驗(yàn)證電容參數(shù)合理性。

2最大功率直流母線電容的選擇

    單級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?，主電路?00kW光伏組件、直流母線電容Cdc、三相電壓源型逆變器、LCL濾波器以及三相三線制的電網(wǎng)組成。其中，Linv為逆變器側(cè)電感值；Lg為網(wǎng)側(cè)電感值；Cf為濾波電容。光伏組件產(chǎn)生的直流能量經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為三相交流電送入電網(wǎng)。三相光伏逆變器如圖1所示。

圖1三相光伏逆變器主電路拓?fù)?/p>

    當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落時(shí),按照常規(guī)的光伏逆變器的并網(wǎng)控制思路,逆變器保持最大功率輸出。假設(shè)功率恒定,在直流側(cè)的電流關(guān)系式為

 （1）

    根據(jù)功率平衡關(guān)系,網(wǎng)側(cè)功率與直流側(cè)功率相等,則功率關(guān)系式為

 （2）

    根據(jù)能量守恒,則有

 （3）

    當(dāng)電網(wǎng)故障到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落所需的時(shí)間極短，因此并網(wǎng)點(diǎn)電壓Uabc跌落幾乎瞬間完成，這將導(dǎo)致光伏逆變器輸出功率Pg瞬間減小。若保持原有的MPPT控制算法，光伏組件的輸出功率穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。

    在不考慮能量傳輸損耗的條件下，電網(wǎng)電壓跌落瞬間，并網(wǎng)輸出功率將保持與直流側(cè)輸入功率一致，因此并網(wǎng)電流將不斷增大；考慮到控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，跌落瞬間電流有調(diào)節(jié)過程，因此輸出功率跌落時(shí)的瞬態(tài)將是一個(gè)振蕩調(diào)節(jié)過程。由功率平衡關(guān)系，直流母線上的能量將瞬間堆積，母線電壓將會(huì)升高。對于并網(wǎng)點(diǎn)電壓輕微跌落條件，并網(wǎng)電流不超過逆變器安全范圍時(shí)，電網(wǎng)的故障不影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制運(yùn)行。

    發(fā)生深度跌落時(shí)，則可能引起逆變器瞬間過流、直流母線過壓等故障，如不采取相應(yīng)措施，將造成逆變器因自我保護(hù)而脫網(wǎng)。在光伏新能源滲透率較高的地區(qū)，若光伏電站大規(guī)模脫網(wǎng)運(yùn)行，將導(dǎo)致電網(wǎng)的有功出力大幅度減少，增加整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，引起其他電站解列，導(dǎo)致大規(guī)模停電事故。為解決上述問題，需要對大功率并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制技術(shù)進(jìn)行深入研究。

    這里，我們只考慮直流母線電容的電壓和容量選擇。

    考慮到直流母線電壓波動(dòng)，該設(shè)計(jì)選擇可以應(yīng)用薄膜電容器；但是如果紋波電壓在比較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，極性電容也是可以接受的。

    1）額定電壓；通常為1.2-1.5倍的直流側(cè)過壓能力。

    2）電容容量Q；Q值與IGBT開關(guān)期間內(nèi)對其直流母線電容充放電的載波頻率（也即開關(guān)周期）有關(guān)；即一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)，IGBT開通時(shí)電容為逆變器提供輸出的能量；IGBT關(guān)斷時(shí)電網(wǎng)通過逆變器三相IGBT的體二極管給直流側(cè)電容充電。

    在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，直流母線所需要提供的能量為:

 （4）

    式中，η為逆變器效率；fs為開關(guān)頻率。w即為IGBT開通周期內(nèi)電容釋放的能量與太陽能極板輸出的能量之和。

    設(shè)直流母線電容為無損器件，在IGBT開通和關(guān)斷時(shí)其充放電平衡，可知其充電能量為Q，計(jì)算見如下公式

 （5）

    式中，U為直流母線電壓，ΔU為母線紋波電壓。所以，我們可以認(rèn)為在開關(guān)周期內(nèi)，逆變器輸出能量為電容充電能量的2倍，即

W=2Q     （6）

    本設(shè)計(jì)中逆變器直流側(cè)有功功率為100Kw，效率ρ為98.6%，fs為8Khz，母線電壓為550V，而根據(jù)模型仿真可知為2V。注意，在這里我們的設(shè)計(jì)參數(shù)要在足夠大的范圍內(nèi)，這樣即使調(diào)試環(huán)境或者慣性環(huán)節(jié)有變化，我們也可通過軟件調(diào)整到合適、穩(wěn)定的目標(biāo)值。

    根據(jù)以上公式，計(jì)算本設(shè)計(jì)母線電容容量如下：

 （7）

3極端條件下（IGBT直通），無功支撐電網(wǎng)時(shí)母線的電容器容量選擇

    逆變器輸出電流：

    若輸出功率P為100KW，交流輸出電壓Uout為315V，角頻率ω為314，由公式（6）和（7）計(jì)算出C為1853uF。

4計(jì)算與仿真比較直流母線波動(dòng)電壓的峰峰值Δu

    根據(jù)直流母線電容的充放電過程可知，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)母線需要提供的能量為Win。一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容釋放的能量為Q

    由式（3）可以推出

 （10）

    這里根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算，直流母線理論的峰峰波動(dòng)Δu值為3V；而在MATLAB光伏逆變系統(tǒng)仿真中，觀測到直流母線波形的峰峰波動(dòng)Δu值為10V。為了滿足兩者的綜合設(shè)計(jì)，這里取Δu值為10V。

5峰值電流Ih的計(jì)算

    一個(gè)周期的峰值電流由式（4）、（10）和（11）聯(lián)合計(jì)算得出：

    可知：Ih=76.8A

6周期內(nèi)的電流有效值Irms

    因?yàn)闆_擊電流，計(jì)算損耗時(shí)溫度系數(shù)不可取，所以在這里要做多支電容并聯(lián)。用4支500uF的電力電容并聯(lián)分流后，可得到Irms1值

    設(shè)直流母線紋波波動(dòng)最高頻率為4Khz，則由式（12）可知Irms為54.3A。

    故可以計(jì)算出一支電容上的電流有效值；

    電容采用法拉電容器廠家的參數(shù)規(guī)格，根據(jù)其電容的ESR（電容等效串聯(lián)電阻值）和Rth（繞組熱點(diǎn)和外界（自然冷卻）之間的熱電阻）有關(guān)參數(shù)可知，在環(huán)境溫度上限85度下計(jì)算得到：

    由式（13）可求出：Pt為0.295；H為1.3K；Qu為356.7K

7、結(jié)論

    依據(jù)法拉廠家的參數(shù)計(jì)算，最終得出電容的環(huán)境溫度余量為83.7°，對比夏天環(huán)境溫度為40度為基準(zhǔn)的話，會(huì)看到溫度會(huì)冗余出40多度。

    對于電容器件的選擇，我們一般會(huì)以大廠家的電容值范圍為參考，這里以法拉廠家的產(chǎn)品參數(shù)為例。從廠家選型手冊中，找出容量為420uF的電容。即在一個(gè)100KW的單元中，用單支420uF的電容4支并聯(lián)使用即可。