并网变流器功率单元设计与直流载流需求研究

瞿兴鸿 赵紫龙 于 彬 刘 洋

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

并网变流器功率单元设计与直流载流需求研究

瞿兴鸿 赵紫龙 于 彬 刘 洋

（国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

功率单元是变流器中的核心部件，随着变流器容量增大，功率单元需要模块化设计。本文结合业内产品总结了目前主流的模块化技术路线，比较了半桥功率单元和全桥功率单元的优缺点，并分析了功率单元设计中的关键技术。指出了模块直流母排电流非连续、不规则的特点，鉴于该电流对母排设计具有重要参考意义而目前相关研究文献匮乏的现状，本文开展理论推导，给出了直流母排载流需求的计算方法，并进行了仿真和实验验证。

并网变流器；功率单元；模块化；直流载流

随着新能源技术的发展，风电、太阳能等多种绿色能源不但能够实现并网传输，而且其发电容量也在不断扩大[1-2]。而作为新能源并网关键设备的并网变流器也随之向更高功率等级不断拓展。随着变流器容量的增大，为了保持不同容量设备的组件兼容性、缩短开发周期、降低生产成本，对功率单元进行模块化设计已成为大功率变流器设计的必然趋势。

以风电为例，从 1～6MW，多种功率等级的不同机型对变流器提出了多样化需求。如果将功率单元模块化，那么针对不同功率需求，只要改变功率单元的组合方式和数量，即可快速推出相应的变流器产品。光伏逆变器亦是如此。目前大功率的风电和光伏变流产品普遍采用两电平电压源型电气拓扑，本文以此类型为例开展研究分析，而分析结论同样适用于其他并网变流器。

1 变流器功率单元设计

风电变流器和光伏逆变器的基本电气拓扑如图1所示。可以看出其基本组件都是交直流变换器，它由三相桥臂组成。对其进行模块化主要有两种方式：①半桥式，以单相桥臂和支撑电容为功率单元，桥臂载流能力更大，3个单元分别作为三相形成大容量变流器，科孚德、西门子等公司的变流主要采用这一模块化方式；②全桥式，将三相模块作为一个整体的功率单元，包括直流支撑电容一起封装成标准单元，多个单元并联形成大容量变流器，ABB公司的变流器产品就是该类模块化的典范，此外艾默生也有采用该技术的产品。

图1 基本电气拓扑

半桥式功率单元结构简单，单元体积小，但功率密度相对低，相单元之间连接复杂，集成度不高，作为独立单元应用时外部接口较多。全桥式功率单元功率密度相对高，三相集成在一个整体单元结构内，作为独立单元使用外部接口简单；但其结构较复杂，单元体积大、重量大。虽然两种模块化路线不同，但其设计中关键技术是相通的，主要有以下几点。

1.1 高功率密度设计

提高模块单元的功率密度可以减小设备体积、降低成本，其实现关键在于准确估算器件损耗，有效解决散热问题。

器件损耗主要包括 IGBT损耗和反向二极管损耗，单个开关器件的平均功耗Pav可以表示为[3]

式中，Wcond为通态损耗；Won为开通损耗 Woff为关断损耗；T为基本电周期。损耗大小与运行电压电流、开关频率、功率因数、调制度等多项因素有关，更准确有效的损耗计算方法正被广大研究人员不断提出[4]。损耗估算太低不能达到目标运行效果，损耗估算太高则造成冗余散热成本升高，并浪费设备空间。

高效的散热设计也是实现高功率密度的必要条件。对于强制风冷系统，首先要对散热器的根部厚度、翼片高度、翼片厚度和翼片数目进行合理优化[5]。此外，提升散热能力的措施还包括：铺设热管提高导热系数；将散热器垂直放置，利用相对较轻的热气流形成烟囱效应[6]；优化风道形状，在空气流场中加入紊流，增强系统对流换热效果等[7]。

1.2 低杂散电感设计

在大功率变流器中，由于器件和直流母线杂散分布电感的存在，会使功率器件在关断时产生超出耐压范围的瞬态尖峰，从而造成器件的损坏。杂散电感引起的电压峰值通常用下式计算，即

式中，Lstray为杂散电感值，i为流过杂散电感的电流，ΔVover为杂散电感上的压降。

杂散电感一般由直流电容引线电感、直流母线电感、IGBT模块内部引线电感组成。为了减小杂散电感应当选用低引线电感的电容作为直流支撑电容。直流母线对杂散电感的影响最大，是可以通过设计实现最优化的环节。采用上下层叠母排技术，可以显著减小杂散电感，其尺寸、外形均对电感的大小起到影响。此外，在IGBT端增加吸收电容也能起到减小等效杂散电感、降低关断电压尖峰的作用。

1.3 快速维护设计

功率单元应当在结构上快速可分，功能上高度集成，从而大大提高现场的检修、维护便利性。这就需要将IGBT、驱动、传感器、底层控制板件等集成设计，对外形成简单易拆装的接口。如果能够实现内部取电、通信对接，则功率单元二次部分可以采用光纤避免与变流器控制系统的电气连接，以提高抗干扰能力，并减少维护工作量。

1.4 多单元并联/级联的均流均压设计

随着功率等级的不断增大，集成化的功率单元已经被开发成了多个子单元并联/级联等多种形式，伴随而来的是功率单元间的均流、均压问题需要解决。

由于并联功率单元中 IGBT自身参数的不一致及单元外部电路布局不对称等，容易引起并联单元电流分配不均，制约并联应用，因此设计中需要考虑如何确保均流。栅极电阻匹配法[8]和发射极电阻反馈法[9]是IGBT直接并联均流的常用措施，但对于彼此独立的功率单元均流并不适用。在功率单元桥臂中点串接μH级小电感，可以减小单元间动态电流的分配不均，此方法也称为外加电感平衡法[10]，工程实现方便，适用于多单元并联应用。

对于功率单元级联的均压问题一般通过两种方式来解决：①根据单元直流侧电压和交流侧电流来调节本单元开关驱动信号的占空比，从而调节输入到该单元的有功功率，实现均压控制[11]；②为每个单元直流侧增加辅助电路提供能量交换通路，实现硬件均压控制[12]。

2 功率单元直流载流理论分析

对于基本的三相全桥拓扑，已有的研究大多侧重于应用，研究关注点通常集中于对外接口处的电压、电流特性，如图2中的①、②、⑤处。文献[13-14]研究了交流输出电流波形，从控制角度提高了输出电流的精度和正弦度；文献[15-16]给出了改进的PWM算法，减小了输出电压谐波；文献[17]分析了直流支撑电容输入电流成分，从而给出了支撑电容设计原则。然而从变流器的设计实现出发，功率单元内部设计指标的确定同样重要。特别是对于大功率 IGBT应用，如上节所述，为了降低器件关断过程的电压尖峰，直流侧一般采用层叠母排连接IGBT，其实际的电气位置为图中③、④处。根据层叠母排电气位置可知，其承载电流并非标准直流或正弦波形，目前公开发表的研究文献在此方面未有分析，而各种工况下的电流是层叠母排设计的基本参考依据。母排参数的误差直接影响了变流器的可靠性和寿命。

图2 功率单元母排划分

变流器交流输出端无论连接电网还是电机通常都有较大电感，其输出电流能够保持较好的正弦波形，因此本文分析中交流侧电流⑤用标准正弦波表示，且电流以流出模块为正。定义③处电流以流入模块为正，然后分析该处电流的实际波形。当交流侧电流⑤处于正半波，电流路径如图3（a）所示，上管开通时电流流过IGBT，电流③等于电流⑤，上管关断时电流通过下管的反并联二极管续流，电流③等于零；当交流侧电流⑤处于负半波，电流路径如图 3（b）所示，下管开通时电流流过 IGBT，电流③等于零，下管关断时电流通过上管的反并联二极管续流，电流③等于电流⑤。

图3 电流路径分析

通过上述分析发现，电流③表现为周期性非连续波形，其基本示意如图4所示。电流的正负由交流输出电流的正负决定，每个周期电流脉冲的数量与载波周期数量一致，脉冲宽度取决于对应载波周期的占空比。由于正弦波形的半波对称性，电流⑤的瞬时值i满足下式：

式中，N为每个基波周期对应的载波周期数，且 N为偶数，i(n)表示第n个载波周期的电流瞬时值。由于电流③在负半周期为二极管导通，其占空比D满足下式：

式中，D(n)表示第n个载波周期电流的占空比。

图4 母排电流波形示意

为了得到直流母排③的载流需求，需要求得电流有效值。设正弦波周期为 T，流过母排电流 i3的有效值Irms3可以表示为

设载波周期为Ts，对上式离散化，得到

将式（3）和式（4）带入上式化解，得到

式中，i5和 Irms5分别为交流输出⑤处的电流实时值和有效值，上式说明电流③的有效值约为交流输出电流⑤的0.707倍。由正负母排的电气对称性可知，电流④的有效值与电流③相同。分析过程中还发现，虽然不同功率因数下直流母排电流脉冲波形不同，但其有效值只与交流输出电流有效值有关，而不受功率因数影响。上述结果可以作为直流母排设计的依据。

3 功率单元直流载流仿真验证

为了验证理论分析结果的正确性，搭建如图 5所示的功率单元基本仿真模型。

图5 功率单元基本仿真模型

交流侧经过500μH电抗连接690V三相交流电网，直流侧用理想电压源和阻抗串联模拟，IGBT器件控制采用SPWM方式，直流电源控制在1100V。可分别在纯有功、纯无功运行方式下进行仿真。

3.1 纯有功运行工况下的仿真

控制SPWM输出，使功率单元运行在纯有功输出状态。图6所示记录了一个周期内A相上管开关信号波形、交流输出电流波形和直流正母排电流波形。观察发现，电流正半周期，上管门极信号为 1时直流母排电流等于交流输出电流，门极信号为 0时直流母排电流等于0，而电流负半周期恰恰相反。这与上节理论分析的结果相一致。同时从直流母排电流波形看出，将负半波波形取反并前移半个周期后，与正半波波形拼合刚好得到一个完整的正弦半波，且与交流侧输出电流波形重合，由半波有效值和全波有效值的关系可知，直流母排电流有效值为交流输出电流的0.707倍。

图6 纯有功运行工况的仿真结果

3.2 纯无功运行工况下的仿真

控制SPWM输出，使功率单元运行在纯无功输出状态。一个周期内A相上管开关信号波形、交流输出电流波形和直流正母排电流波形如图7所示。观察波形发现，虽然直流母排电流在正负半周期的分布与纯有功运行工况下有着较大差别，但仍然符合上节理论推导得出的结果。

仿真结果说明，直流母排电流有效值为交流输出电流的0.707倍，且其与变流器运行的功率因数无关。

图7 纯无功运行工况的仿真结果

4 功率单元直流载流实验验证

搭建背靠背实验环境进行大功率实验验证。并网电压690V，直流电压控制到1100V，IGBT控制采用SPWM，功率单元额定电流750A，采用4个英飞凌公司的 FF450R17ME4并联实现。由于实验台电源接入容量限制，所以只在纯有功运行工况下能达到额定电流，测得直流母线电流波形如图8所示。实验波形与仿真结果一致。实验测量点为单个FF450的直流正连接铜排，4只IGBT并联，所测电流为直流母排总电流的1/4。从示波器的有效值计算结果看，单只IGBT直流正母排电流有效值为133A，推算出单相桥臂直流母排电流有效值约为532A，与交流侧电流 750A相比，基本符合本文所给出的0.707倍关系，证明所给出工程计算方法的正确性。

图8 实测A相直流正母排电流波形

5 结论

本文总结了功率单元模块化的技术路线；比较了半桥功率单元和全桥功率单元的优缺点；在分析功率单元设计关键技术的基础上给出了设计建议；推导得出了直流母排载流需求的计算方法，指出直流母排电流有效值只有交流输出电流有关，而与运行功率因数无关。仿真和实验结果证明了结论的正确性。

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Study on Power Unit Design and DC Busbar Current Carrying Demand for Grid-connected Converter

Qu Xinghong Zhao Zilong Yu Bin Liu Yang
(NARI Technology Development Co.,Ltd,Nanjing 211106)

Power unit is a core component of converters.With the converter capacity increases,power unit need to be designed by modular method.In this paper,currently mainstream modular technical routes are summarized,advantages and disadvantages of half bridge and full bridge power unit are compared,and key technology in the design of power unit is analyzed.It is pointed out that,the DC busbar current has the attribute of irregularity and discontinuity.This is important to DC busbar design,but the research in this direction is relatively poor.This paper derives the related theoretical formula to calculate the DC busbar current.The results of simulation and experiment verify the correctness of the formula.

grid-connected converter; power unit; modularization; dc busbar current

国家电网公司科技项目（524608140017）

瞿兴鸿（1983-），男，重庆人，工学硕士，工程师，主要研究方向为新能源发电及并网控制技术。