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業(yè)的同時也滋生了光伏逆變器的功率結構多樣性。如今光伏并網逆變器根據(jù)電站或者用戶的需求，可實現(xiàn)逆變裝置內單元并聯(lián)和以光伏裝置為單位的多逆變器設備并聯(lián)。本設計100kw光伏逆變器內的直流母線電容容量，根據(jù)最大功率和IGBT極端工作下分別計算電容容量，根據(jù)廠家電容手冊的參數(shù)計算并驗證電容值的可行性。最終為100kw光伏逆變器選定合適的電容規(guī)格型號。

1引言

光伏逆變器根據(jù)應用不同場合，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下應用盡可能保持不變；當然這對絕大多數(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或內部多功率單元并聯(lián)的結構，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方面來說明直流母線電容的計算和選擇依據(jù)。

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

（2）計算與仿真比較直流母線波動電壓的峰峰值依據(jù)公式計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對比，找出最大值作為之后的計算依據(jù)。

（3）電容峰值電流和周期內的有效值通過法拉電容廠家手冊中的參數(shù)計算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

單級式三相光伏并網發(fā)電系統(tǒng)拓撲，主電路由100kW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組成。其中，Linv為逆變器側電感值；Lg為網側電感值；Cf為濾波電容。光伏組件產生的直流能量經逆變器轉換為三相交流電送入電網。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撲

當電網故障導致并網點電壓發(fā)生跌落時,按照常規(guī)的光伏逆變器的并網控制思路,逆變器保持最大功率輸出。假設功率恒定,在直流側的電流關系式為

 （1）

根據(jù)功率平衡關系,網側功率與直流側功率相等,則功率關系式為

 （2）

根據(jù)能量守恒,則有

 （3）

當電網故障到并網點電壓跌落所需的時間極短，因此并網點電壓Uabc跌落幾乎瞬間完成，這將導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。

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

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

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，該設計選擇可以應用薄膜電容器；但是如果紋波電壓在比較小的范圍內波動，極性電容也是可以接受的。

1）額定電壓；通常為1.2-1.5倍的直流側過壓能力。

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

在一個開關周期內，直流母線所需要提供的能量為:

 （4）

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

設直流母線電容為無損器件，在IGBT開通和關斷時其充放電平衡，可知其充電能量為Q，計算見如下公式

 （5）

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

W=2Q     （6）

本設計中逆變器直流側有功功率為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，在這里我們的設計參數(shù)要在足夠大的范圍內，這樣即使調試環(huán)境或者慣性環(huán)節(jié)有變化，我們也可通過軟件調整到合適、穩(wěn)定的目標值。

根據(jù)以上公式，計算本設計母線電容容量如下：

 （7）

3極端條件下（IGBT直通），無功支撐電網時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）計算出C為1853uF。

4計算與仿真比較直流母線波動電壓的峰峰值Δu

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

由式（3）可以推出

 （10）

這里根據(jù)以上設計參數(shù)計算，直流母線理論的峰峰波動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Δu值為10V。為了滿足兩者的綜合設計，這里取Δu值為10V。

5峰值電流Ih的計算

一個周期的峰值電流由式（4）、（10）和（11）聯(lián)合計算得出：

可知：Ih=76.8A

6周期內的電流有效值Irms

因為沖擊電流，計算損耗時溫度系數(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

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

故可以計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（繞組熱點和外界（自然冷卻）之間的熱電阻）有關參數(shù)可知，在環(huán)境溫度上限85度下計算得到：

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

7、結論

依據(jù)法拉廠家的參數(shù)計算，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度為基準的話，會看到溫度會冗余出40多度。

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