基于風(fēng)電系統(tǒng)單體變流器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.引言

風(fēng)電變流器主要在塔底甚至機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行，大多數(shù)主機(jī)廠家都對(duì)變流器的外形體積有較為嚴(yán)格的限制。直接導(dǎo)致變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布局要足夠的緊湊，且并能滿足電氣性能要求、散熱要求、可裝配性、現(xiàn)場(chǎng)可維護(hù)性、人員可操作性、經(jīng)濟(jì)性等[1].本文針對(duì)這些要求，對(duì)單體變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評(píng)估。

2.工作原理

單體變流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由IGBT、散熱冷板和電容連接構(gòu)成。IGBT是整個(gè)單體變流器的核心。IGBT以其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流器件。本文示例所用的IGBT為德國(guó)SEMIKRON水冷，其型號(hào)為SKIIP2403,內(nèi)部有4個(gè)IGBT功率元件組成，每個(gè)功率元件都反并聯(lián)一個(gè)二極管，對(duì)其具有保護(hù)作用。

IGBT的控制是通過光電轉(zhuǎn)換板，把外界的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由扁平電纜與IGBT相連來(lái)實(shí)現(xiàn)通信的。光纖有三路信號(hào)，一路為發(fā)送模塊本身故障信號(hào)，模塊無(wú)故障時(shí)，送出常亮光;另外兩路為接收信號(hào)，一路為高電平，一路為低電平信號(hào)。另外IGBT的驅(qū)動(dòng)電源為24V,IGBT的模塊電流和溫度可以由IGBT模塊本身檢測(cè)并送出，這些功能的實(shí)現(xiàn)也是通過扁平電纜完成的。

直流側(cè)通過六個(gè)并聯(lián)的電容與直流母排相連接，用來(lái)對(duì)直流側(cè)的電壓進(jìn)行支撐，保證直流電壓的穩(wěn)定。支撐電容通過層疊母排連接，層疊母排為兩層結(jié)構(gòu)，中間是耐老化、耐腐蝕的絕緣物質(zhì)，外覆絕緣包覆壓合封邊。

3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1 總體器件布局

保證散熱良好由于變流器的運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大，其大部分的熱量由水冷板的冷卻液帶走，但依然會(huì)余留一部分熱量在柜體內(nèi)，加上母排等發(fā)熱，而且大部分變流器空間相對(duì)緊湊，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮保證散熱。

3.1.1 敞開式設(shè)計(jì)

密閉式結(jié)構(gòu)每個(gè)模塊需要單獨(dú)加裝散熱風(fēng)扇以期能達(dá)到理想的散熱效果，相較于密閉式的單體變流器(如圖2)，建議采用敞開式設(shè)計(jì)(如圖1)，這樣，一方面有利于對(duì)發(fā)散原件(如IGBT和電容)的散熱。一方面結(jié)構(gòu)布局簡(jiǎn)單明了，拆裝便宜，不僅具有經(jīng)濟(jì)性，更提高了加工生產(chǎn)過程的工作效率。

3.1.2 豎立放置設(shè)計(jì)

根據(jù)熱氣流由下至上的流動(dòng)原則豎直放置單體變流器，保證單體變流器的自然散熱的氣流通暢。布置電容時(shí)，在空間允許的條件下，盡可能拉大電容的間距，以減小散熱阻力。

3.2 支撐電容布置

膜電容和鋁電解電容是風(fēng)電變流器中常用的兩種支撐電容。因鋁電解電容的耐壓等級(jí)較低，需要對(duì)其大量的并串聯(lián)，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且其發(fā)熱量大，使用壽命短，現(xiàn)已逐漸被膜電容取代。膜電容具有耐壓能力高、使用壽命長(zhǎng)、發(fā)熱量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)電變流器中正被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于膜電容的額定工作電壓可達(dá)1100V,在低壓風(fēng)電變流器中一般就不需要額外串聯(lián)電容箱，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為直流側(cè)支撐電容建議優(yōu)先選用膜電容。

在電容布局設(shè)計(jì)時(shí)，要注意以下幾個(gè)問題：

3.2.1 多電容并聯(lián)優(yōu)于大容量的超級(jí)電容

如圖3(a)所示，大容量的超級(jí)電容的電流路徑有交叉，高頻磁場(chǎng)強(qiáng)，電感大，電流流向不佳;而采用多電容并聯(lián)如圖3(b)所示，正負(fù)極電流路徑重疊，高頻磁場(chǎng)被抵消，回路的電感得到降低，從而使電流流向得以改善[1].

3.2.2 電容的擺放方向

如圖4所示，圖(a)電容的正負(fù)極連線平行于電流流向，圖(b)電容的正負(fù)極連線垂直于電流流向，兩者電容擺放方向相差90o.此二者布局構(gòu)成的電流路徑的環(huán)路面積就大不相同。

環(huán)路面積越小，電感越小。顯而易見，圖(a)的環(huán)路面積小于圖(b)的環(huán)路面積。圖(a)合理，應(yīng)采用此種電容擺放方式。

3.2.3 對(duì)稱布置電容

隨著風(fēng)機(jī)向更高功率等級(jí)發(fā)展，采用多個(gè)功率器件并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能要求的設(shè)計(jì)越來(lái)越廣泛。設(shè)計(jì)采用多個(gè)功率器件并聯(lián)，電容分布應(yīng)相對(duì)于功率器件對(duì)稱布置，一方面避免個(gè)別的電容因承受較大的電流而發(fā)熱嚴(yán)重，另一方面有利于各功率器件的均流。

3.3 電氣件的軟連接保護(hù)

變流器在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如果采用剛性連接會(huì)造成應(yīng)力集中，減少器件的使用壽命，甚至造成傷害。設(shè)計(jì)考慮用軟連接，降低預(yù)應(yīng)力。

單體變流器的IGBT和電容剛性固定在安裝基板上，IGBT直流側(cè)與電容連接處較多，裝配時(shí)容易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)使用層疊母排，銅排厚度1.5-2.5mm,設(shè)計(jì)時(shí)要求在引腳處進(jìn)行退火處理，降低銅排的硬度，表2所示為退火前后銅排硬度和導(dǎo)電率的對(duì)比[2].

由上表得出，退火處理對(duì)銅排的導(dǎo)電率幾乎沒有影響，同時(shí)會(huì)大大降低銅排的硬度。在保證銅排良好的導(dǎo)電性能的同時(shí)，增加銅排彈性，降低銅排的硬度。

另外，IGBT模塊和交流輸出排均為剛性固定在安裝基板上，導(dǎo)致IGBT模塊與交流輸出排之間存在剛性連接，如果使用硬銅排，會(huì)在變流器運(yùn)行過程中不可避免的出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，造成銅排發(fā)熱，甚至燒壞銅排和器件。設(shè)計(jì)使用T型均流排，增加導(dǎo)流面積，可以采用厚度較小(本例為2mm)的銅板料，也對(duì)其采用退火處理，增加材料的彈性。保證其連接有效的同時(shí)，消除變流器運(yùn)行引起的應(yīng)力。

3.4 保證均流

前面的電容布局設(shè)計(jì)中，提到電容布局應(yīng)盡量相較于功率器件堆成布置，力保功率器件均流。

同樣，單體變流器交流輸出排在上出或下出輸出電流的情況下，IGBT交流側(cè)4個(gè)功率模塊不均流現(xiàn)象明顯。

設(shè)計(jì)用T型折彎均流排將IGBT交流側(cè)4個(gè)出線端出來(lái)的電流匯流到T型的折彎區(qū)，然后再通過交流輸出排流出，能較好的降低不均流現(xiàn)象。

3.5 交、直流以及水路采用出線靈活

風(fēng)電變流器各主機(jī)廠提出的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)以及水路接口位置存在差異。故在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮單體變流器的結(jié)構(gòu)對(duì)個(gè)主機(jī)廠的適應(yīng)性。

首先，交流排為前出，可根據(jù)客戶的設(shè)計(jì)需求更改上、下的兩種出線方式。圖7為交流排上出，圖8為交流排下出。其次，水管進(jìn)出線可前出和后出兩種出線方式。圖7為水管后出，圖8為水管前出。這種設(shè)計(jì)可以通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件安裝方式的變化而達(dá)到電路和水路設(shè)計(jì)的變化。從而可以適用不同風(fēng)電主機(jī)廠家。

3.6 可維護(hù)性設(shè)計(jì)

單體變流器重量較大(本例約為25KG)，在裝配、檢驗(yàn)或是在現(xiàn)場(chǎng)故障檢查的情況下，人工安裝、拆卸存在一定困難。

設(shè)計(jì)中充分考慮單體變流器有變流器托架結(jié)構(gòu)和變流器放置架結(jié)構(gòu)，可使其豎直放置和水平放置(如圖9所示)，保證其在廠內(nèi)裝配、拆卸、運(yùn)輸及檢查時(shí)的放置穩(wěn)定。

另外，在其安裝基板上開有4個(gè)80X30的跑道形手孔(如圖10所示)，便于工作人員在裝配拆卸過程中，對(duì)其推拉和提升。

4.結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)電變流器的運(yùn)行環(huán)境惡劣，風(fēng)電變流器的運(yùn)行不斷曝露了一些問題。且隨著技術(shù)的成熟，3MW、5MW等大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也逐漸問世，單體變流器作為整個(gè)風(fēng)電變流器的核心部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，是關(guān)乎整個(gè)變流器正常運(yùn)行的重要保障，本文以上例淺談了單體變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)注意重點(diǎn)，望于讀者有所借鑒。