光伏逆变器直流母线电容参数计算与验证

光伏逆变器直流母线电容参数计算与验证

随着新能源光伏发电的快速发展，光伏逆变器的设计与优化成为关键环节。本文详细探讨了100kW光伏逆变器直流母线电容参数的计算与验证方法，通过最大功率和IGBT极端工作条件下的分析，结合MATLAB仿真验证，为光伏逆变器的设计提供了重要的参考依据。

1. 引言

光伏逆变器根据应用场合的不同，其容量也各不相同。为了保持装置元器件的一致性和降低成本，直流母线电容选型的一致性成为可能。本文主要从以下几个方面来说明直流母线电容的计算和选择依据：

1. 通过最大功率（考虑逆变器转换率）与IGBT直通极端条件分别计算直流母线电容容值。
2. 计算与仿真比较直流母线波动电压的峰峰值。
3. 通过法拉电容厂家手册中的参数计算Ih和Irms，从而求出一支电容上的周期平均电流Irms1。
4. 根据热功率和环境温度，验证电容参数合理性。

2. 最大功率直流母线电容的选择

单级式三相光伏并网发电系统拓扑如图1所示，主电路由100kW光伏组件、直流母线电容Cdc、三相电压源型逆变器、LCL滤波器以及三相三线制的电网组成。其中，Linv为逆变器侧电感值；Lg为网侧电感值；Cf为滤波电容。光伏组件产生的直流能量经逆变器转换为三相交流电送入电网。

当电网故障导致并网点电压发生跌落时，按照常规的光伏逆变器的并网控制思路，逆变器保持最大功率输出。假设功率恒定，在直流侧的电流关系式为：

（1）

根据功率平衡关系，网侧功率与直流侧功率相等，则功率关系式为：

（2）

根据能量守恒，则有：

（3）

当电网故障到并网点电压跌落所需的时间极短，因此并网点电压Uabc跌落几乎瞬间完成，这将导致光伏逆变器输出功率Pg瞬间减小。若保持原有的MPPT控制算法，光伏组件的输出功率稳定在最大功率点。

在不考虑能量传输损耗的条件下，电网电压跌落瞬间，并网输出功率将保持与直流侧输入功率一致，因此并网电流将不断增大；考虑到控制系统中调节器的调节作用，跌落瞬间电流有调节过程，因此输出功率跌落时的瞬态将是一个振荡调节过程。由功率平衡关系，直流母线上的能量将瞬间堆积，母线电压将会升高。对于并网点电压轻微跌落条件，并网电流不超过逆变器安全范围时，电网的故障不影响光伏并网发电系统的控制运行。

发生深度跌落时，则可能引起逆变器瞬间过流、直流母线过压等故障，如不采取相应措施，将造成逆变器因自我保护而脱网。在光伏新能源渗透率较高的地区，若光伏电站大规模脱网运行，将导致电网的有功出力大幅度减少，增加整个电力系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，引起其他电站解列，导致大规模停电事故。为解决上述问题，需要对大功率并网逆变器的低电压穿越控制技术进行深入研究。

这里，我们只考虑直流母线电容的电压和容量选择。考虑到直流母线电压波动，该设计选择可以应用薄膜电容器；但是如果纹波电压在比较小的范围内波动，极性电容也是可以接受的。

1. 额定电压：通常为1.2-1.5倍的直流侧过压能力。
2. 电容容量Q：Q值与IGBT开关期间内对其直流母线电容充放电的载波频率（也即开关周期）有关；即一个PWM开关周期内，IGBT开通时电容为逆变器提供输出的能量；IGBT关断时电网通过逆变器三相IGBT的体二极管给直流侧电容充电。

在一个开关周期内，直流母线所需要提供的能量为：

（4）

式中，η为逆变器效率；fs为开关频率。w即为IGBT开通周期内电容释放的能量与太阳能极板输出的能量之和。

设直流母线电容为无损器件，在IGBT开通和关断时其充放电平衡，可知其充电能量为Q，计算见如下公式：

（5）

式中，U为直流母线电压，ΔU为母线纹波电压。所以，我们可以认为在开关周期内，逆变器输出能量为电容充电能量的2倍，即

W=2Q （6）

本设计中逆变器直流侧有功功率为100Kw，效率ρ为98.6%，fs为8Khz，母线电压为550V，而根据模型仿真可知为2V。注意，在这里我们的设计参数要在足够大的范围内，这样即使调试环境或者惯性环节有变化，我们也可通过软件调整到合适、稳定的目标值。

根据以上公式，计算本设计母线电容容量如下：

（7）

3. 极端条件下（IGBT直通），无功支撑电网时母线的电容器容量选择

逆变器输出电流：

若输出功率P为100KW，交流输出电压Uout为315V，角频率ω为314，由公式（6）和（7）计算出C为1853uF。

4. 计算与仿真比较直流母线波动电压的峰峰值Δu

根据直流母线电容的充放电过程可知，一个开关周期内母线需要提供的能量为Win。一个开关周期内电容释放的能量为Q

由式（3）可以推出：

（10）

这里根据以上设计参数计算，直流母线理论的峰峰波动Δu值为3V；而在MATLAB光伏逆变系统仿真中，观测到直流母线波形的峰峰波动Δu值为10V。为了满足两者的综合设计，这里取Δu值为10V。

5. 峰值电流Ih的计算

一个周期的峰值电流由式（4）、（10）和（11）联合计算得出：

可知：Ih=76.8A

6. 周期内的电流有效值Irms

因为冲击电流，计算损耗时温度系数不可取，所以在这里要做多支电容并联。用4支500uF的电力电容并联分流后，可得到Irms1值

设直流母线纹波波动最高频率为4Khz，则由式（12）可知Irms为54.3A。

故可以计算出一支电容上的电流有效值；

电容采用法拉电容器厂家的参数规格，根据其电容的ESR（电容等效串联电阻值）和Rth（绕组热点和外界（自然冷却）之间的热电阻）有关参数可知，在环境温度上限85度下计算得到：

由式（13）可求出：Pt为0.295；H为1.3K；Qu为356.7K

7. 结论

依据法拉厂家的参数计算，最终得出电容的环境温度余量为83.7°，对比夏天环境温度为40度为基准的话，会看到温度会冗余出40多度。

对于电容器件的选择，我们一般会以大厂家的电容值范围为参考，这里以法拉厂家的产品参数为例。从厂家选型手册中，找出容量为420uF的电容。即在一个100KW的单元中，用单支420uF的电容4支并联使用即可。