大功率风电变流器中的母排设计

1 引言

与普通逆变器、变流器相比，风电变流器有以下几个特点：①功率密度大，直流侧电压高;②使用环境恶劣，国内风电场一般集中在东北、华北、西北和沿海地带。东北和华北寒冷、温差大;西北部风沙大、灰尘多;沿海地区空气湿度大、腐蚀力强;③连续工作时间长，在风力较好的季节，变流器经常连续几个月处于满负荷运行状态;④可能会出现阵风、台风等恶劣天气。这些特点对风电变流器的主电路设计，尤其是功率模块单元的母排设计提出了更高的要求。如果母排设计不合理，没有考虑到风电变流器的特殊要求，可能会出现下面几个问题：①母排过热，这是由于风电变流器的直流侧电流大、电压不稳定，再加上风季时长时间处于满功率运行状态，容易导致母排过热;②母排电感过大，产生过高的尖峰电压，导致安全裕量变小，当遇到阵风、台风等恶劣天气时，变流器直流侧电压会短时急剧升高，功率器件很可能出现过压，严重时可能会导致功率器件炸毁，造成重大损失;③因制造和装配误差、母排本身和电容等重力作用，导致功率器件受力是不可避免的，如果不在母排设计阶段将这些因素考虑进去，很可能导致功率器件承受过大的应力，风电变流器的功率比较大，母排一般都比较大，电容数量多，更增加了这种风险;④母排防护不够，随着灰尘、潮气的侵入，导致绝缘失效。

因此，针对上述问题，本文提出了风电变流器直流侧母排设计原则及要点。实践证明，根据这些原则及要点设计的母排具有很高的可靠性。

2 大功率直流侧母排设计原则

(1)杂散电感小，具有一定的电磁兼容能力。

(2)结构简洁紧凑，安装方便，具有良好的维护性。

(3)母排支撑可靠，受力情况考虑周全，功率器件受力小。

(4)可靠性强，能保证在特定的环境中长时间运行。

(5)经济适用，节省材料。

3 设计准备

在进行直流侧母排结构设计之前，要首先明确以下几方面的问题。

⑴ 确定风电变流器的工作环境。要确定变流器是室外型还是室内型，高原型还是地面型，严寒地区还是潮湿地区。并根据这些环境条件来确定环境的污染等级、极限温升和最小爬电距离与电气间隙。

⑵ 了解电路拓扑结构，收集相关元器件规格书。

⑶ 确定额定工作电压和电流。目前，风电变流器主流机型的直流侧母线电压均在1100V左右，电流从几百A到几千A不等，这取决于风电机组的功率大小。额定工作电压和电流作为计算母排尺寸的一个重要依据。

⑷ 使用寿命。使用寿命的选取会影响到直流母排的结构工艺及其绝缘材料的选择。风电变流器的寿命一般要求20年，故对直流母线的寿命也一般要求不低于20年。这样，在产品的生命周期内，母排就可以免于维护。

4 母排结构设计

在确定了母排工作环境、电路拓扑、电气参数等一些具体要求以后，就可以开始母排的设计。首先，依据电流大小计算铜板的截面积。需要注意的是不要选择过厚的铜排，因为电流流过导体存在集肤效应[1]，集肤深度计算公式为

(1)

式中：δ为集肤深度;μ为磁导率;σ为电导率。

风电变流器的功率密度大，母排导体一般选择紫铜材料，紫铜的磁导率为4 X10-7H/m，电导率为5.8X107S/m。风电变流器的功率器件开关频率一般为2kHz -3kHz，就以3kHz为例，根据式(1)可以计算出集肤深度为：

所以，铜板厚度一般采用1.5mm—2.5mm为宜。如果没有注意到这一点，不但浪费材料，还往往伴随出现母线过热的现象。

此外，直流侧母排设计应重点考虑以下几个要点。

3.1 尽量减少电感

由于杂散电感的作用，在IGBT关断时会出现尖峰电压，此电压与直流回路电压叠加，对功率器件和母排绝缘构成很大威胁。变流器功率越大，功率器件di/dt越大，这种危害就越严重。由杂散电感引起的尖峰电压UL为：以下脚注改为正体，i与t改为斜体

UL=(LB+LM)di/dt (2)

式中：LB为母排寄生电感，LM为功率模块寄生电感。

由(2)式可知，降低电压尖峰有两个途径：① 通过改变门极驱动电阻的值来减小di/dt，将导致开通和关断的时间延长，功率器件的损耗增加，这会使变流器的效率降低，而且给功率器件的散热也将带来挑战。所以靠减小di/dt来减小杂散电感是有限的;② 减小杂散电感(LB+LM)，(LB+LM)当功率器件选定以后，其自身寄生电感就基本固定，能够减小的就只有母排寄生电感了，所以，母排设计是获得低电压尖峰的关键。为获得低电感的母排，在母排设计时可以从以下几个方面考虑。

3.1.1采用叠层结构

由邻近效应可知，某一导体的高频电流在邻近的导体层会形成镜像电流。对于双层铜排，当信号路径与地平面互相叠层，并使满足绝缘层厚度的间距远小于导体宽度时，高频电流将主要分布在两块铜排相临近的两个内部平面上，部分高频磁场能够相互抵消[2]，从而减小回路中的电感。

3.1.2 取合适长宽比

叠层母排的总等效杂散电感为

LB=LI+LC (3)

式中：LI为母排内部等效电感，与频率有关，频率越高，内电感越小[3]，此处可以忽略不计;LC为母排外部等效电感

根据文献[3]可知，

当t

(4)

式中：t为单层铜板厚度;d为绝缘层厚度;l为叠层母排长度;w为叠层母排宽度。从式(3)可看出，母排长度越短，宽度越大，电感越小。

3.1.3 支撑电容布局设计合理

尽管采用了叠层母排，可以有效减小杂散电感，但是电感还是存在的，而且功率器件本身的寄生电感也是无法消除的。因此，直流侧应设置一定数量的支撑电容，以便有效抑制杂散电感。目前，风电变流器上常用的支撑电容主要有两种：铝电解电容和膜电容。由于铝电解电容的耐压等级较低，一般需要大量的并串联，所以其母线设计比较复杂，而且铝电解电容发热严重，寿命短，逐渐被膜电容取代。膜电容拥有耐压高、寿命长、发热少等诸多优点，正获得越来越广泛的应用。由于膜电容耐压高，额定工作电压可达1100V，在低压风电变流器中一般就不需要串联，简化了母排设计，也减小母排寄生电感，建议优先选择膜电容作为直流侧支撑电容。在电容布局设计时，要注意以下两个问题：

⑴ 电容的摆放很重要，如图1所示，图1(a)与图1(b)的区别仅在于电容端子方向正好相差90°，电流路径构成的环路面积就大不相同。环路面积越小，电感越小。因此，图1(b)布局优于图1(a)布局。

图1 电容两种不同的摆放方式构成的环路面积：(a)回路面积大，不合理;

(b)合理，应采用此种摆放方式