西安特銳德智能充電科技有限公司儲(chǔ)能事業(yè)部 李嘉琨 糜曉宇 胡 煜

1 問題的提出

近年來(lái)，風(fēng)能變流器、光伏逆變器等新能源產(chǎn)品接入電網(wǎng)的數(shù)量增速明顯。風(fēng)能具有間歇性、波動(dòng)性的特征，加上相當(dāng)一部分地區(qū)電網(wǎng)能力弱，負(fù)載波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行影響大。該問題驅(qū)使該類并網(wǎng)型變流器產(chǎn)品需要滿足電網(wǎng)并網(wǎng)導(dǎo)則的要求，以增加電網(wǎng)的健壯性、穩(wěn)定性。為此，相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有相關(guān)硬/軟件方案，以確保在電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)(如電壓跌落、電壓暫態(tài)抬升)，保持與電網(wǎng)連接，并在一定程度情況下配合電網(wǎng)完成恢復(fù)，即故障穿越過(guò)程(FRT，F(xiàn)ault Ride Through)。如圖1所示，國(guó)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中低壓穿越過(guò)程中的電壓～時(shí)間波形。曲線之上，變流器不允許脫網(wǎng)，并發(fā)無(wú)功支撐電網(wǎng)；曲線之下變流器可以脫網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

圖1 中國(guó)電網(wǎng)導(dǎo)則低壓穿越電壓圖形

以下以風(fēng)能變流器產(chǎn)品為例給出分析。風(fēng)能變流器多采用back-to-back四象限拓?fù)?，網(wǎng)側(cè)AC/DC、轉(zhuǎn)子側(cè)DC/AC，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。電網(wǎng)發(fā)生的故障瞬態(tài)過(guò)程為ms級(jí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，響應(yīng)為s級(jí)。故障過(guò)程中，電機(jī)會(huì)保持故障前的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)能會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)化為電能通過(guò)電機(jī)定/轉(zhuǎn)子耦合進(jìn)入到變流器內(nèi)。電壓跌落瞬間，能量(功率)保持前一時(shí)刻狀態(tài)，電流激增，如圖2所示。某型風(fēng)能變流器產(chǎn)品FRT過(guò)程中的定子電流波形。

圖2 某型風(fēng)電變流器產(chǎn)品FRT過(guò)程定子電流波形

上述FRT過(guò)程激增的電流使直流母線電壓泵升，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)核心部件，如母線電容、功率模塊等過(guò)壓損壞。針對(duì)該問題通常設(shè)計(jì)能量泄放電路，以控制電壓穩(wěn)定，如直流端Choppper、交流端Crowbar等。泄放單元?jiǎng)幼鬟^(guò)程引入瞬態(tài)能量的同時(shí)，必然會(huì)引起自身發(fā)熱等效應(yīng)，故需評(píng)估其硬件能力。本文針對(duì)直流泄放單元Chopper組件中的IGBT模塊闡述瞬態(tài)結(jié)溫升的評(píng)估方法。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

Chopper組件位于變流器直流端，由開關(guān)器件、泄放電阻組成，如圖3。通常選用全控型開關(guān)器件IGBT，能實(shí)時(shí)控制開/關(guān)邏輯。設(shè)計(jì)原則為：有效控制母線電壓，又能確保IGBT熱應(yīng)力不會(huì)超標(biāo)而導(dǎo)致?lián)p壞。電阻阻值需與IGBT的能力配合選型，電阻功率需要根據(jù)電流峰值，持續(xù)時(shí)間獲得。

Chopper組件IGBT的控制由母線電壓來(lái)決定。若跌落深度較淺：高于預(yù)設(shè)值上限，觸發(fā)IGBT開通泄放能量，母線電壓降低；低于預(yù)設(shè)值下限，關(guān)閉IGBT。重復(fù)上述過(guò)程最終控制母線電壓穩(wěn)定。若跌落深度較深：雖然Chopper會(huì)泄放能量，但電機(jī)能量會(huì)繼續(xù)灌入母線，母線繼續(xù)充高；直到超過(guò)母線最高值，觸發(fā)交流組件Crowbar動(dòng)作將以保護(hù)系統(tǒng)，此時(shí)對(duì)于Chopper組件的IGBT來(lái)說(shuō)出現(xiàn)最大電流峰值。以某風(fēng)能變流器產(chǎn)品為例分析如下：母線電壓預(yù)設(shè)值上限1150V、預(yù)設(shè)值下限1070V，母線最高值門限1350V。仿真可知，R＜1.2Ω時(shí)，可將20%跌落工況能量有效泄放，并達(dá)到控制母線電壓的效果，此時(shí)初步計(jì)算IGBT需求，I＞1350V/1.2Ω=1125A；如深度更深的FRT過(guò)程需減小阻值，經(jīng)仿真可知：R＜0.75Ω時(shí)，可以滿足該工況，此時(shí)計(jì)算IGBT需求，I＞1350V/0.75Ω=1800A.

圖3 Chopper組件示意圖

由此，電阻阻值的選型輸入條件轉(zhuǎn)化為對(duì)Chopper組件中IGBT能力的考慮：

若阻值小，能量泄放快，母線電壓降低快，但I(xiàn)GBT承擔(dān)的瞬態(tài)電流大；

若阻值大，能量泄放慢，母線電壓降低慢，但I(xiàn)GBT承擔(dān)的瞬態(tài)電流小；

綜上考慮選擇Infineon公司的FF1000R17ME4型IGBT。輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 FF1000R17ME4型IGBT模塊輸出特性曲線

3 瞬態(tài)結(jié)溫評(píng)估方法

IGBT熱阻曲線如圖5所示，是一個(gè)4階熱阻R(K/kW)、時(shí)間常數(shù)τ(s)串并聯(lián)模型。對(duì)該器件施加功率，會(huì)在熱阻模型上產(chǎn)生溫升效果，對(duì)應(yīng)IGBT的結(jié)溫變化，即傳熱學(xué)中經(jīng)典公式所示。

圖5 FF1000R17ME4型IGBT模塊瞬態(tài)熱阻特性曲線

熱阻模型變換為電阻、電容網(wǎng)絡(luò)，脈沖功率峰值變換為電流沖擊輸入，溫升可通過(guò)電壓響應(yīng)獲得。以下使用PSIM軟件對(duì)此搭建模型，如圖6所示。

表1 熱阻模型～電路模型類比

圖6 PSIM搭建IGBT模塊瞬態(tài)熱阻模型

圖7 FRT過(guò)程IGBT結(jié)溫仿真曲線

查表可得電流峰值對(duì)應(yīng)Vce，以獲得脈沖功率峰值。通過(guò)仿真獲得FRT過(guò)程中Chopper動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作次數(shù)。以最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間、最多次數(shù)獲得脈沖功率設(shè)置中的Frequency、Duty Cycle。運(yùn)行模型可得結(jié)溫溫升變化。結(jié)合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度值，可獲得最高結(jié)溫Tjmax。

4 結(jié)論

本文闡述了風(fēng)能變流器響應(yīng)FRT過(guò)程的相關(guān)內(nèi)容與原理，分析了泄放單元組件IGBT、電阻的選型計(jì)算以及結(jié)溫評(píng)估方法?；赑SIM軟件搭建了IGBT熱阻模型，仿真結(jié)論與實(shí)際產(chǎn)品驗(yàn)證結(jié)論能夠吻合，證明了該方法可行性、正確性。該方法可以指導(dǎo)相關(guān)風(fēng)能變流器產(chǎn)品的泄放單元IGBT選型、結(jié)溫評(píng)估、系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵指標(biāo)。