基于風(fēng)電系統(tǒng)單體變流器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)

本文介紹了風(fēng)電變流器核心組成部分的單體變流器在機(jī)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中空間狹小、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，本文進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。主要內(nèi)容包括：單體變流器的組成布局、功率器件維護(hù)、結(jié)構(gòu)受力，以及可維護(hù)性等。

1.引言

風(fēng)電變流器主要在塔底甚至機(jī)艙內(nèi)運(yùn)行，大多數(shù)主機(jī)廠家都對變流器的外形體積有較為嚴(yán)格的限制。直接導(dǎo)致變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàn)場可維護(hù)性、人員可操作性、經(jīng)濟(jì)性等[1].本文針對這些要求，對單體變流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評估。

2.工作原理

單體變流器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由IGBT、散熱冷板和電容連接構(gòu)成。IGBT是整個單體變流器的核心。IGBT以其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為功率半導(dǎo)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(nèi)部有4個IGBT功率元件組成，每個功率元件都反并聯(lián)一個二極管，對其具有保護(hù)作用。

IGBT的控制是通過光電轉(zhuǎn)換板，把外界的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并由扁平電纜與IGBT相連來實(shí)現(xiàn)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(qū)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(shí)現(xiàn)也是通過扁平電纜完成的。

直流側(cè)通過六個并聯(lián)的電容與直流母排相連接，用來對直流側(cè)的電壓進(jìn)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(jié)構(gòu)，中間是耐老化、耐腐蝕的絕緣物質(zhì)，外覆絕緣包覆壓合封邊。




圖1 器件布局圖

3.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.1總體器件布局

保證散熱良好由于變流器的運(yùn)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(nèi)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮保證散熱。

3.1.1敞開式設(shè)計(jì)

密閉式結(jié)構(gòu)每個模塊需要單獨(dú)加裝散熱風(fēng)扇以期能達(dá)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(shè)計(jì)（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(jié)構(gòu)布局簡單明了，拆裝便宜，不僅具有經(jīng)濟(jì)性，更提高了加工生產(chǎn)過程的工作效率。


圖2 密閉式單體變流器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2豎立放置設(shè)計(jì)

根據(jù)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(fēng)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(lián)，故其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且其發(fā)熱量大，使用壽命短，現(xiàn)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(diǎn)，在風(fēng)電變流器中正被越來越廣泛的應(yīng)用。由于膜電容的額定工作電壓可達(dá)1100V，在低壓風(fēng)電變流器中一般就不需要額外串聯(lián)電容箱，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。作為直流側(cè)支撐電容建議優(yōu)先選用膜電容。

在電容布局設(shè)計(jì)時，要注意以下幾個問題：

3.2.1多電容并聯(lián)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(qiáng)，電感大，電流流向不佳；而采用多電容并聯(lián)如圖3（b）所示，正負(fù)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(fù)極連線平行于電流流向，圖（b）電容的正負(fù)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(gòu)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(yīng)采用此種電容擺放方式。

3.2.3對稱布置電容

隨著風(fēng)機(jī)向更高功率等級發(fā)展，采用多個功率器件并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)功能要求的設(shè)計(jì)越來越廣泛。設(shè)計(jì)采用多個功率器件并聯(lián)，電容分布應(yīng)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(yán)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(hù)

變流器在運(yùn)行中會出現(xiàn)振動的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如果采用剛性連接會造成應(yīng)力集中，減少器件的使用壽命，甚至造成傷害。設(shè)計(jì)考慮用軟連接，降低預(yù)應(yīng)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(cè)與電容連接處較多，裝配時容易產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)使用層疊母排，銅排厚度1.5-2.5mm，設(shè)計(jì)時要求在引腳處進(jìn)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(dǎo)電率的對比[2].

由上表得出，退火處理對銅排的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yùn)行過程中不可避免的出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力，造成銅排發(fā)熱，甚至燒壞銅排和器件。設(shè)計(jì)使用T型均流排，增加導(dǎo)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(yùn)行引起的應(yīng)力。

3.4保證均流

前面的電容布局設(shè)計(jì)中，提到電容布局應(yīng)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(cè)4個功率模塊不均流現(xiàn)象明顯。

設(shè)計(jì)用T型折彎均流排將IGBT交流側(cè)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(xiàn)象。

3.5交、直流以及水路采用出線靈活

風(fēng)電變流器各主機(jī)廠提出的機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)以及水路接口位置存在差異。故在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮單體變流器的結(jié)構(gòu)對個主機(jī)廠的適應(yīng)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(jù)客戶的設(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)可以通過簡單的結(jié)構(gòu)件安裝方式的變化而達(dá)到電路和水路設(shè)計(jì)的變化。從而可以適用不同風(fēng)電主機(jī)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(hù)性設(shè)計(jì)

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

設(shè)計(jì)中充分考慮單體變流器有變流器托架結(jié)構(gòu)和變流器放置架結(jié)構(gòu)，可使其豎直放置和水平放置（如圖9所示），保證其在廠內(nèi)裝配、拆卸、運(yùn)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(jié)束語

風(fēng)電變流器的運(yùn)行環(huán)境惡劣，風(fēng)電變流器的運(yùn)行不斷曝露了一些問題。且隨著技術(shù)的成熟，3MW、5MW等大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也逐漸問世，單體變流器作為整個風(fēng)電變流器的核心部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，是關(guān)乎整個變流器正常運(yùn)行的重要保障，本文以上例淺談了單體變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個注意重點(diǎn)，望于讀者有所借鑒。