DC-LINK電容器及其參數(shù)選取

中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

DC-LINK電容器及其參數(shù)選取

中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

1.引言

直流電作為逆變器的供電電源時(shí)，直流電源需要通過直流母線與逆變器鏈連，這種供電方式也被稱為DC-Link。由于逆變器需要DC-Link獲取有效值和幅值很高的脈動(dòng)電流，在DC-Link上產(chǎn)生很高的脈動(dòng)電壓使得逆變器難以承受。為此，需要對(duì)DC-Link進(jìn)行支撐，以確保DC-Link的供電質(zhì)量。在大多數(shù)情況下，支撐DC-Link的元件是電容器。DC-Link電容器的作用主要是吸收來自于逆變器向DC-Link索取的高幅值脈動(dòng)電流，阻止其在DC-Link的阻抗上產(chǎn)生高幅值脈動(dòng)電壓，使逆變器端的電源電壓波動(dòng)保持在允許范圍。DC-Link電容器的第二個(gè)作用就是防止來自于DC-Link的電壓過沖和瞬時(shí)過電壓對(duì)逆變器的影響。

2.金屬化金屬化膜電容器的優(yōu)勢(shì)

金屬化膜電容器采用厚度為3 μm～10 μm的聚合物薄膜作為儲(chǔ)能介質(zhì)，電極采用納米級(jí)厚度的蒸鍍金屬。在外加電壓作用下，介質(zhì)中的電弱點(diǎn)首先發(fā)生擊穿。電弱點(diǎn)的形成有兩種方式：一種是薄膜生產(chǎn)過程中引入的雜質(zhì)或缺陷；另一種是由于薄膜老化而產(chǎn)生新的電弱點(diǎn)。當(dāng)電弱點(diǎn)擊穿后，電弱點(diǎn)周圍薄膜儲(chǔ)存的能量快速向擊穿點(diǎn)注入，電弱點(diǎn)及其周圍的金屬電極迅速蒸發(fā)，電容器絕緣恢復(fù)，這一過程稱為“自愈”。金屬化膜的自愈性能使得金屬化膜電容器的工作電壓得到明顯提升，電容器的儲(chǔ)能密度得到顯著提升。

金屬化膜電容器具有的許多優(yōu)勢(shì)，金屬化膜電容器在DC濾波上用來替代電解電容是一個(gè)趨勢(shì)。使用DC-LINK平滑濾波金屬化膜電容器，可以使金屬化膜電容器比電解電容更加經(jīng)濟(jì)地覆蓋600VDC以上的電壓范圍。目前對(duì)于干式技術(shù)，，金屬化膜電容器在脈沖應(yīng)用中薄膜應(yīng)用的電場(chǎng)強(qiáng)度能夠達(dá)到600V/μm以上；在DC濾波的應(yīng)用中，薄膜應(yīng)用的電場(chǎng)強(qiáng)度能夠達(dá)到250 V/μm。電解電容使用氧化鋁作為電介質(zhì)，具有很多不足：

（1）耐壓與電容量。通過比較，由于加工技術(shù)的原因，電解電容器中使用的鋁箔厚度是達(dá)到高電壓的關(guān)鍵因素。對(duì)于900 VDC，需要1.2μm的鋁的厚度。然而，這個(gè)厚度是不可能達(dá)到的。

（2）高壓下電流限制。，與低電壓電解電容相比，高電壓電解電容（500V）的電解液傳導(dǎo)率達(dá)到了5 kΩcm，它的有效值電流被限制在大約20mA/μF。所以在要求更高電壓的情況下，使用者必須將多只電容串聯(lián)使用。

（3）高壓下串聯(lián)需進(jìn)行平衡電壓處理。由于各電容的絕緣電阻不同，使用者必須在每個(gè)電容上連接電阻以平衡電壓。

（4）反向耐壓能力低。電解電容器如果發(fā)生反向電壓或高于額定電壓1.5倍的過電壓，其將導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)。如果持續(xù)時(shí)間夠長(zhǎng)，電容器將完全失效。為避免這種情況，在電解電容器需要并聯(lián)連接一個(gè)二極管以消除反向電勢(shì)問題。。

（5）內(nèi)阻大，如三個(gè)電解電容串聯(lián)實(shí)現(xiàn)1.2kV/900μF，ESR為60mΩ；而金屬化膜電容，3個(gè)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1.2kV/900μF，ESR為0.7mΩ。

相對(duì)于電解電容器，金屬化膜電容器的優(yōu)勢(shì)：

（1）通流能力大（1A/μF）；

（2）高壓易實(shí)現(xiàn)；可承受短時(shí)過壓（2倍）和反向電壓；對(duì)于要求高額定電壓的場(chǎng)合，膜電容的解決方案無疑很有優(yōu)勢(shì)。但如果要求高容值的場(chǎng)合，膜電容解決方案的競(jìng)爭(zhēng)力就會(huì)減弱。的確，如果沒有過壓，有效值電流很低，同時(shí)需要大容值的場(chǎng)合，在900V以下的應(yīng)用中，膜電容很難與電解電容競(jìng)爭(zhēng)。

（3）保證耐壓和通流能力下，體積可以減小為電解電容的1/4（高出能密度優(yōu)點(diǎn)）；

（4）受尖峰電壓dV/dt最大可到幾十V/μs；

（5）特性好，能在120℃下長(zhǎng)期工作。（有的資料標(biāo)明最高85℃或105℃）

（6）電阻，低電感；（由于耐壓能力較大，使用并聯(lián)形式代替電解電容器中的串聯(lián)形式）；

（7）壽命（6萬(wàn)-10萬(wàn)小時(shí)），無污染。

金屬化膜電容器的單體電壓可以做得比較高，適合用于電壓高于800V及其以上場(chǎng)合；對(duì)壽命有重要要求的場(chǎng)合，電解電容壽命一般為2000-5000小時(shí)，金屬化膜電容器可以達(dá)到6萬(wàn)-10萬(wàn)小時(shí)，對(duì)于一些對(duì)壽命有要求的場(chǎng)合可以采用金屬化膜電容器，提高產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性。

3.DC-LINK電容器的選取

金屬化膜電容器具有自愈功能，壽命較長(zhǎng)；在不同工作溫度下，其性能優(yōu)于電解電容器。金屬化膜電容器無正負(fù)極之分，兩極可任意使用，母排設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

與鋁電解電容器相比，金屬化膜電容器的雜散參數(shù)較小，等效串聯(lián)電阻（ESR）和寄生電感非常低。等效串聯(lián)電阻小，可以減少紋波電流在電解電容器中發(fā)熱及功率損耗，提高電容使用壽命。直流母線寄生電感小，可在功率器件關(guān)斷時(shí)不出現(xiàn)很高的感生電勢(shì)，減少功率器件的關(guān)斷損耗，避免感生電勢(shì)過高而擊穿功率器件。

由于薄膜的耐壓能力及耐紋波電流能力較大，因此在滿足電壓及紋波電流的要求下，所需要的電容數(shù)及總電容值比采用電解電容有較大減少。通常情況下，同一機(jī)組，采用金屬化膜電容器的電容值只是采用鋁電解電容器的1/3.

為了滿足直流波動(dòng)指標(biāo)要求，使用金屬化膜電容器時(shí)，須要采用一定的控制策略來彌補(bǔ)電容值減少所帶來的波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 電容量

雖然大容量的支撐電容器可以抑制直流母線電壓波動(dòng)，但出于成本及可靠性考慮，還須盡可能地減少直流側(cè)電容量。因此，我們要計(jì)算在最壞情況下滿足穩(wěn)定性要求的直流支撐電容量的理論最小值。為了得到這個(gè)最小值，須要考慮直流母線電壓在一個(gè)PWM周期內(nèi)升高到最大值的極端情況。理論最小電容值就是要阻止電壓超過特定值的電容值。如果限定直流母線所能承受的電壓波動(dòng)，就會(huì)得到直流母線電容量的最小值。

最壞故障情況，即機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器同時(shí)有最大能量流向直流母線支撐電容。分別找到機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)能量變化ΔEconverter和ΔEinverter的最大值。假設(shè)直流母線電壓波動(dòng)ΔVdc：

電容器在t 時(shí)刻儲(chǔ)存的能量為：

電容器能量可以寫成：

直流母線電壓波動(dòng)ΔVdcmax限定在一定范圍內(nèi)，比如ΔVdcmax≤λVdc。Vdc為直流母線參考電壓；λ是設(shè)計(jì)參數(shù)，0＜λ＜1。

3.2 紋波電流

選取電容時(shí)，除電容量須滿足上述約束條件外，還必須考慮到電容器的耐紋波電流能力。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于電容器的紋波電流受變流器各輸入輸出量變化以及控制方式等影響，很難直接通過計(jì)算得到，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或者計(jì)算機(jī)仿真的方式來估算。

根據(jù)對(duì)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，可以得到直接計(jì)算直流母線電容器紋波電流的方法。

直流電容紋波電流為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流和機(jī)側(cè)變流器輸入電流之差：

這兩個(gè)電流都可以分解為直流分量與交流分量之和：

直流電容紋波電流可寫成：

該電流僅由以上兩個(gè)電流的交流分量構(gòu)成，機(jī)側(cè)變流器的直流分量可以看作直接由網(wǎng)側(cè)變流器供給：

化簡(jiǎn)可得：

即有：

由于這兩個(gè)電流不包含同頻諧波，即有：

直流電容紋波電流有效值由來自網(wǎng)側(cè)變流器的交流分量和來自機(jī)側(cè)變流器的交流分量?jī)刹糠纸M成。J W Kolar等人給出了因機(jī)側(cè)變流器而形成的紋波電流：

式中Iout，rms為機(jī)側(cè)變流器輸出電流有效值；M為調(diào)制比。

常東來等人給出了由網(wǎng)側(cè)變流器引起的直流母線電容紋波電流可由以下公式計(jì)算得出：

其中C為直流母線電容；Umax為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓最大值，U為網(wǎng)側(cè)變流器輸入電壓有效值；fR為網(wǎng)側(cè)變流器整流輸出脈動(dòng)頻率；tc和tdc分別代表直流母線電容的充放電時(shí)間。

直流母線支撐電容器的紋波電流與變流器輸入電壓及輸出電流、負(fù)載功率因數(shù)、PWM 調(diào)制比、電容量、直流電壓波動(dòng)范圍等因素有關(guān)。

4.小結(jié)

本文介紹了DC-link電容器的工作條件，重點(diǎn)分析了金屬化膜電容器較電解電容器的具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；依據(jù)三相整流逆變電路中電壓紋波和電流紋波要求，給出dc-link電容器的電容量的選取依據(jù)，為DC-LINK電容器參數(shù)選取提供了理論計(jì)算依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

歐亞杰（1988—），男，大學(xué)本科，助理工程師，現(xiàn)任中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司甘陜管理處長(zhǎng)寧靖邊壓氣站副站長(zhǎng)，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。

李韓櫻（1989—），女，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司甘陜管理處長(zhǎng)寧靖邊壓氣站。