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    摘要：新能源光伏發電近年受到大中小企業的追捧，國家大力提倡并支持光伏產業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電站或者用戶的需求，可實現逆變裝置內單元并聯和以光伏裝置為單位的多逆變器設備并聯。本設計100kw光伏逆變器內的直流母線電容容量，根據最大功率和IGBT極端工作下分別計算電容容量，根據廠家電容手冊的參數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格型號。

1引言

    光伏逆變器根據應用不同場合，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。

    （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。

    （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）根據熱功率和環境溫度，驗證電容參數合理性。

2最大功率直流母線電容的選擇

    單級式三相光伏并網發電系統拓撲，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生跌落時,按照常規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；考慮到控制系統中調節器的調節作用，跌落瞬間電流有調節過程，因此輸出功率跌落時的瞬態將是一個振蕩調節過程。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電系統的控制運行。

    發生深度跌落時，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，若光伏電站大規模脫網運行，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，而根據模型仿真可知為2V。注意，在這里我們的設計參數要在足夠大的范圍內，這樣即使調試環境或者慣性環節有變化，我們也可通過軟件調整到合適、穩定的目標值。

    根據以上公式，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）

    這里根據以上設計參數計算，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不可取，所以在這里要做多支電容并聯。用4支500uF的電力電容并聯分流后，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規格，根據其電容的ESR（電容等效串聯電阻值）和Rth（繞組熱點和外界（自然冷卻）之間的熱電阻）有關參數可知，在環境溫度上限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

    依據法拉廠家的參數計算，最終得出電容的環境溫度余量為83.7°，對比夏天環境溫度為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支并聯使用即可。