基于風電系統(tǒng)單體變流器的結構應用設計

本文介紹了風電變流器核心組成部分的單體變流器在機柜結構設計中空間狹小、工作環(huán)境惡劣等特點，本文進行了結構設計分析。主要內容包括：單體變流器的組成布局、功率器件維護、結構受力，以及可維護性等。

1.引言

風電變流器主要在塔底甚至機艙內運行，大多數主機廠家都對變流器的外形體積有較為嚴格的限制。直接導致變流器的結構設計布局要足夠的緊湊，且并能滿足電氣性能要求、散熱要求、可裝配性、現場可維護性、人員可操作性、經濟性等[1].本文針對這些要求，對單體變流器的結構設計進行分析評估。

2.工作原理

單體變流器內部結構圖如圖1所示。主要由IGBT、散熱冷板和電容連接構成。IGBT是整個單體變流器的核心。IGBT以其輸入阻抗高、開關速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大等特點，已成為功率半導體器件發(fā)展的主流器件。本文示例所用的IGBT為德國SEMIKRON水冷，其型號為SKIIP2403，內部有4個IGBT功率元件組成，每個功率元件都反并聯一個二極管，對其具有保護作用。

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

直流側通過六個并聯的電容與直流母排相連接，用來對直流側的電壓進行支撐，保證直流電壓的穩(wěn)定。支撐電容通過層疊母排連接，層疊母排為兩層結構，中間是耐老化、耐腐蝕的絕緣物質，外覆絕緣包覆壓合封邊。




圖1 器件布局圖

3.設計準則

3.1總體器件布局

保證散熱良好由于變流器的運行時發(fā)熱量大，其大部分的熱量由水冷板的冷卻液帶走，但依然會余留一部分熱量在柜體內，加上母排等發(fā)熱，而且大部分變流器空間相對緊湊，因此結構設計要充分考慮保證散熱。

3.1.1敞開式設計

密閉式結構每個模塊需要單獨加裝散熱風扇以期能達到理想的散熱效果，相較于密閉式的單體變流器（如圖2），建議采用敞開式設計（如圖1），這樣，一方面有利于對發(fā)散原件（如IGBT和電容）的散熱。一方面結構布局簡單明了，拆裝便宜，不僅具有經濟性，更提高了加工生產過程的工作效率。


圖2 密閉式單體變流器結構示意圖

3.1.2豎立放置設計

根據熱氣流由下至上的流動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，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較低，需要對其大量的并串聯，故其結構設計比較復雜，且其發(fā)熱量大，使用壽命短，現已逐漸被膜電容取代。膜電容具有耐壓能力高、使用壽命長、發(fā)熱量少等諸多優(yōu)點，在風電變流器中正被越來越廣泛的應用。由于膜電容的額定工作電壓可達1100V，在低壓風電變流器中一般就不需要額外串聯電容箱，簡化了結構設計。作為直流側支撐電容建議優(yōu)先選用膜電容。

在電容布局設計時，要注意以下幾個問題：

3.2.1多電容并聯優(yōu)于大容量的超級電容

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


圖3

3.2.2電容的擺放方向

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


圖4 電容擺放方向差異圖

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，應采用此種電容擺放方式。

3.2.3對稱布置電容

隨著風機向更高功率等級發(fā)展，采用多個功率器件并聯來實現功能要求的設計越來越廣泛。設計采用多個功率器件并聯，電容分布應相對于功率器件對稱布置，一方面避免個別的電容因承受較大的電流而發(fā)熱嚴重，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

變流器在運行中會出現振動的現象。結構設計中如果采用剛性連接會造成應力集中，減少器件的使用壽命，甚至造成傷害。設計考慮用軟連接，降低預應力。

單體變流器的IGBT和電容剛性固定在安裝基板上，IGBT直流側與電容連接處較多，裝配時容易產生預應力，設計使用層疊母排，銅排厚度1.5-2.5mm，設計時要求在引腳處進行退火處理，降低銅排的硬度，表2所示為退火前后銅排硬度和導電率的對比[2].

由上表得出，退火處理對銅排的導電率幾乎沒有影響，同時會大大降低銅排的硬度。在保證銅排良好的導電性能的同時，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，會在變流器運行過程中不可避免的出現預應力，造成銅排發(fā)熱，甚至燒壞銅排和器件。設計使用T型均流排，增加導流面積，可以采用厚度較小（本例為2mm）的銅板料，也對其采用退火處理，增加材料的彈性。保證其連接有效的同時，消除變流器運行引起的應力。

3.4保證均流

前面的電容布局設計中，提到電容布局應盡量相較于功率器件堆成布置，力保功率器件均流。


圖6 均排流使用示意圖

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4個功率模塊不均流現象明顯。

設計用T型折彎均流排將IGBT交流側4個出線端出來的電流匯流到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象。

3.5交、直流以及水路采用出線靈活

風電變流器各主機廠提出的機側、網側以及水路接口位置存在差異。故在設計結構時，應考慮單體變流器的結構對個主機廠的適應性。


圖7 水管后出、交流排上出


圖8 水管前出、交流排后出

首先，交流排為前出，可根據客戶的設計需求更改上、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。這種設計可以通過簡單的結構件安裝方式的變化而達到電路和水路設計的變化。從而可以適用不同風電主機廠家。


圖9 單體變流器水平放置底部示意圖


圖10 單體變流器手孔放置示意圖

3.6可維護性設計

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

設計中充分考慮單體變流器有變流器托架結構和變流器放置架結構，可使其豎直放置和水平放置（如圖9所示），保證其在廠內裝配、拆卸、運輸及檢查時的放置穩(wěn)定。

另外，在其安裝基板上開有4個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，對其推拉和提升。

4.結束語

風電變流器的運行環(huán)境惡劣，風電變流器的運行不斷曝露了一些問題。且隨著技術的成熟，3MW、5MW等大功率風力發(fā)電機組也逐漸問世，單體變流器作為整個風電變流器的核心部分，其結構設計的合理性，是關乎整個變流器正常運行的重要保障，本文以上例淺談了單體變流器結構設計的幾個注意重點，望于讀者有所借鑒。