天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法
【專利摘要】天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，屬于天然氣電站有源逆變裝置領(lǐng)域。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有逆變裝置通常工作在硬開關(guān)環(huán)境，開關(guān)頻率低且諧波大，從而導(dǎo)致補(bǔ)償速度慢，工作效率低的問題。本發(fā)明所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，根據(jù)功率器件的特性，對IGBT模塊控制參數(shù)、阻尼LCL濾波器、直流濾波電容、Snubber電路等器件參數(shù)做出合理的選擇，對功率回路的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并利用優(yōu)化后的參數(shù)構(gòu)建出新的優(yōu)化功率回路實現(xiàn)逆變器裝置工作頻率、諧波抑制能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度的提升，降低了系統(tǒng)體積和成本，提高其性能和可靠性。適用于天然氣電站的有源逆變裝置功率回路的優(yōu)化。
【專利說明】天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于天然氣電站有源逆變裝置領(lǐng)域，尤其涉及天然氣電站有源逆變裝置功 率回路獲得方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣電站是由若干臺天然氣發(fā)電機(jī)組構(gòu)成的大功率供電系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的柴 油發(fā)電機(jī)，天然氣發(fā)電機(jī)組在節(jié)能減排和降低發(fā)電成本方面都有很大優(yōu)勢。但是，天然氣發(fā) 電機(jī)組的動態(tài)功率調(diào)節(jié)能力較差，這種動態(tài)響應(yīng)慢的特性制約其在沖擊性有功/無功功率 負(fù)載等場合的應(yīng)用，為此需要采用有源逆變裝置快速補(bǔ)償這種沖擊性負(fù)載對瞬時有功或無 功功率的需求。
[0003] 由于補(bǔ)償功率較大，補(bǔ)償速度較快，而現(xiàn)有逆變裝置通常工作在硬開關(guān)環(huán)境、較低 的開關(guān)頻率和較大的諧波，配備笨重的濾波器，未能最大效率的發(fā)揮逆變器的性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有逆變裝置通常工作在硬開關(guān)環(huán)境，開關(guān)頻率低且諧波大， 從而導(dǎo)致補(bǔ)償速度慢，工作效率低的問題，現(xiàn)提供天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得 方法。
[0005] 天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，該方法包括以下單元：
[0006] IGBT模塊選型及控制參數(shù)的設(shè)計單元：
[0007] 首先，根據(jù)天然氣電站所需的有源逆變裝置的容量，確定IGBT模塊的型號；然后 根據(jù)IGBT模塊的型號獲得IGBT在允許結(jié)溫溫升下的最優(yōu)開關(guān)頻率fsw和此開關(guān)頻率下 IGBT模塊的功耗P total-loss ?
[0008] Snubber電路的參數(shù)設(shè)計單元：
[0009] 首先，根據(jù)IGBT器件在柵極電壓下降時間的標(biāo)稱值tf，獲得虛擬電容值CSN ;然后， 根據(jù)該虛擬電容值CSN獲得緩壓電容值Cs，最后，根據(jù)緩壓電容值Cs獲得緩沖電阻阻值的范 圍，并將最大的緩沖電阻阻值Rs作為標(biāo)稱值電阻值；
[0010] 阻尼LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計單元：
[0011] 首先，根據(jù)IGBT的最優(yōu)開關(guān)頻率fsw、天然氣電站有源逆變器額定功率和允許的輸 出電流紋波，確定逆變器側(cè)濾波電感值U、交流濾波電容值C和網(wǎng)側(cè)濾波電感值L2的范圍； 然后，通過上述參數(shù)的范圍、逆變器輸出電流諧波含量、阻尼損耗和無功容量比例，確定電 感比k和阻尼電阻Rd;
[0012] 直流濾波電容的參數(shù)設(shè)計單元：
[0013] 根據(jù)天然氣電站要求的逆變裝置電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時間，并留取裕量，獲得濾波電容 值Cdc;
[0014] 根據(jù)上述單元獲得的所有參數(shù)構(gòu)建天然氣電站有源逆變裝置功率回路，從而獲得 優(yōu)化后的天然氣電站有源逆變裝置功率回路。IGBT模塊選型及控制參數(shù)的設(shè)計單元中，確 定IGBT模塊的型號所需要的參數(shù)包括：IGBT模塊的最大集射極電壓V_、重復(fù)峰值電流最 大值1。>"和重復(fù)峰值電流有效值I。，確定上述參數(shù)的方法為：
[0015] 使IGBT模塊的截止耐壓值等于直流支撐電壓值ud。，并將該直流支撐電壓值ud。 作為最大集射極電壓￥_的參考值，考慮裕量，并取80%的額定電壓，通過下式獲得最大集 射極電壓值V_，

【權(quán)利要求】
1. 天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于，該方法包括以下單元： IGBT模塊選型及控制參數(shù)的設(shè)計單元： 首先，根據(jù)天然氣電站所需的有源逆變裝置的容量，確定IGBT模塊的型號；然后根據(jù)IGBT模塊的型號獲得IGBT在允許結(jié)溫溫升下的最優(yōu)開關(guān)頻率fsw和此開關(guān)頻率下IGBT模 塊的功耗P total-loss ? Snubber電路的參數(shù)設(shè)計單元： 首先，根據(jù)IGBT器件在柵極電壓下降時間的標(biāo)稱值tf，獲得虛擬電容值CSN ;然后，根據(jù) 該虛擬電容值CSN獲得緩壓電容值Cs，最后，根據(jù)緩壓電容值Cs獲得緩沖電阻阻值的范圍， 并將最大的緩沖電阻阻值Rs作為標(biāo)稱值電阻值； 阻尼LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計單元： 首先，根據(jù)IGBT的最優(yōu)開關(guān)頻率fsw、天然氣電站有源逆變器額定功率和允許的輸出電 流紋波，確定逆變器側(cè)濾波電感值U、交流濾波電容值C和網(wǎng)側(cè)濾波電感值L2的范圍；然 后，通過上述參數(shù)的范圍、逆變器輸出電流諧波含量、阻尼損耗和無功容量比例，確定電感 比k和阻尼電阻Rd; 直流濾波電容的參數(shù)設(shè)計單元： 根據(jù)天然氣電站要求的逆變裝置電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時間，并留取裕量，獲得濾波電容值Cdc； 根據(jù)上述單元獲得的所有參數(shù)構(gòu)建天然氣電站有源逆變裝置功率回路，從而獲得優(yōu)化 后的天然氣電站有源逆變裝置功率回路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， IGBT模塊選型及控制參數(shù)的設(shè)計單元中，確定IGBT模塊的型號所需要的參數(shù)包括：IGBT模 塊的最大集射極電壓Vras、重復(fù)峰值電流最大值1。_"和重復(fù)峰值電流有效值I。，確定上述參 數(shù)的方法為； 使IGBT模塊的截止耐壓值等于直流支撐電壓值ud。，并將該直流支撐電壓值ud。作 為最大集射極電壓￥_的參考值，考慮裕量，并取80%的額定電壓，通過下式獲得最大集射 極電壓值V_， Vces =udc/〇. 8 =Vce/0. 8 ； 根據(jù)下式獲得重復(fù)峰值電流最大值I。? :
其中，S為逆變器額定視在容量，18和ug分別為逆變器輸出的相電流和相電壓； 假設(shè)IGBT模塊工作時間為半個工頻周期IGBT模塊控制占空比為50%，根據(jù)下式獲得 重復(fù)峰值電流有效值I。：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在 于，IGBT模塊選型及控制參數(shù)的設(shè)計單元中，通過下式獲得IGBT在允許結(jié)溫溫升下的最優(yōu) 開關(guān)頻率fsw的總功耗Ptotal-loss *
其中，PrcBT為IGBT器件的損耗，PVD為反并聯(lián)二極管的損耗，VM_sat為IGBT器件飽和導(dǎo) 通電壓，Vf為正向?qū)妷?，V。。為IGBT模塊的截止耐壓值； 通過下式獲得IGBT在允許結(jié)溫溫升下的最優(yōu)開關(guān)頻率fsw范圍：
其中，td_m和tdif分別為開通延時和關(guān)斷延時標(biāo)稱值，&和tf分別為柵極電壓上升和 柵極電壓下降時間的標(biāo)稱值，I。?為重復(fù)峰值電流最大值，Pt(rt為IGBT模塊在正常結(jié)溫下總 損耗標(biāo)稱值； 式中所有參數(shù)均在出廠測試條件下獲得，Em_test和分別為出廠測試條件下的開 通和關(guān)斷單脈沖損耗標(biāo)稱值，該值能夠通過查找技術(shù)手冊獲?。籈__test為出廠測試條件下 的反向恢復(fù)能耗，該值能夠通過查找技術(shù)手冊獲取；Irtest為出廠測試電流，VM_tost為出廠測 試電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， Snubber電路的參數(shù)設(shè)計單元中，通過下式獲得虛擬電容值CSN :
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， Snubber電路的參數(shù)設(shè)計單元中，通過下式獲得緩壓電容值Cs : Cs = 0. 64Csn。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， Snubber電路的參數(shù)設(shè)計單元中，通過下式獲得緩沖電阻阻值的范圍：
其中，Tmin為IGBT最短導(dǎo)通時間，Wc為IGBT截止、二極管導(dǎo)通、緩壓電容充電且IGBT模塊的截止耐壓緩升時單次脈沖的電能。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， 阻尼LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計單元中，根據(jù)下式確定逆變器側(cè)濾波電感值Q的范圍：
其中，ud。為IGBT模塊的直流支撐電壓值，Ah為天然氣電站允許的電流紋波最大值，ug為逆變器輸出的相電壓，《。為基頻角頻率，Pu為逆變器輸出有功功率上限，m為網(wǎng)側(cè)濾波 電感值L2與逆變器側(cè)濾波電感值Q的比值； 根據(jù)下式確定交流濾波電容值C的范圍：
其中，fz。為濾波電容吸收的無功功率占逆變裝置額定容量的百分比，fzcX5% ;
其中，AFh為h次諧波衰減因子，即AFh =i2h/ilh，i2h為網(wǎng)側(cè)電流h次諧波，ilh為逆變 器側(cè)電流h次諧波，fh為h次諧波頻率。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， 阻尼LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計單元中，電感比k為0. 25,阻尼電阻值Rd取衰減因數(shù)在68 %時 對應(yīng)的電阻阻值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣電站有源逆變裝置功率回路獲得方法，其特征在于， 直流濾波電容的參數(shù)設(shè)計單元中，根據(jù)下式獲得濾波電容值Cd。：
其中，Idm為最大直流充電電流，< 為逆變裝置電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時間。
【文檔編號】H02M7/5387GK104410317SQ201410827337
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】段建東, 李樹生, 孫力, 王志剛, 國海峰, 王令金, 李尋跡, 郭安東, 張潤松, 劉龍海, 趙克, 吳鳳江, 安群濤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)