2.5　集中式三相逆变器的硬件设计

大功率并网逆变器由功率开关逆变桥、直流和交流EMC滤波器、电流传感器、并网逆变控制器、交直流滤波器以及多个控制开关构成。

系统硬件电路采用将IGBT模块、直流储能电容、吸收电容、驱动单元、控制单元、传感器等主要电路器件集成在一个模块内的设计方式。该模块具有功能独立、结构紧凑及便于功率扩展等优点。在此基础上，只需接断路器、接触器、滤波电感电容、变压器、控制电源、预充电单元、触摸屏、冷却风机等外围电路器件，便可设计出完整的硬件电路系统。集中式光伏并网逆变器系统电气图如图2-57所示

集中式并网逆变器功率一般在100kW以上，本书以500kW逆变器为例，对集中式并网逆变器所需要涉及的参数进行计算。它主要包括直流和交流侧EMC滤波器的参数、直流侧储能电容、吸收电容、IGBT电路设计、网侧滤波器的电感和电容等。

2.5.1　EMC滤波器参数的选取

为了防止高次谐波进入电网和光伏电池组串，同时也防止电网和光伏组串上的强烈干扰影响逆变器的正常运行，在交流侧和直流侧需要设置EMI滤波器。应根据光伏逆变器的功率大小选择适当的直流侧EMI滤波器和交流侧EMI滤波器。标准的EMI滤波器通常是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备，而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。

EMI滤波器最重要的技术指标是对干扰的抑制能力，常常用所谓的插入损耗（Insertion Loss）来表示，它的定义是：没有接入滤波器时从干扰源传输到负载的功率P1和接入滤波器后从干扰源传输到负载的功率P2之比，用分贝（dB）表示。

其性能指标和EMI滤波器的插入损耗与滤波网络的网络参量以及源端和负载端的阻抗有关。不论是军用还是民用EMC标准，对设备或分系统的电源线传导干扰电平都有明确的规定，预估或测试获得的EMI传导干扰电平和标准传导干扰电平之间的差值即所需的EMI滤波器的最小插损。然而，对不同的单台设备都进行EMC测试，而后分析其传导干扰特性，设计合乎要求的滤波器，这在实际工程中显然是不可能的。事实上，国家标准中规定了电源滤波器插入损耗的测试方法。在标准测试条件下，一般军用电源滤波器应满足10kHz～30MHz范围内插入损耗30～60dB。工程设计人员只需要根据实际情况选择合适的滤波器即可。

对于500kW三相并网逆变器，直流侧EMI滤波器选择型号为B84142A1600S081，其参数为Udc=1000V，Idc=1600A；交流侧EMI滤波器选择型号为B84143B1600S080，其参数为Uac=520V，Iac=1600A。

2.5.2　直流支撑电容的设计

对于700V的直流电压，考虑到电压波动，直流支撑电容耐压值设计为1000V。采用SVPWM调制时，直流支撑电容的纹波电流Iinh计算如下：

式中，M为调制比；Up为交流电压峰值，线电压270V；UDC1为MPPT范围最低电压；I0为交流电流。

根据直流电压动态响应性能的要求，在额定容量运行情况下，当逆变器突加50％负载时，载波周期为278μs，直流电压最大波动应小于5％，则计算直流支撑电容值如下：

选用420μF，额定直流电压1100V的金属膜电容，这种电容可满足电压要求，查询该电容的数据手册可知，电容在75℃时的额定纹波电流为50A，故需要16个电容并联。考虑降额设计，取2.5倍裕量，共选用40只电容，其额定纹波电流有效值为50×40=2kA。

对于三组对称设计的情况，直流支撑电容数量是3的整数倍，可以在计算值上下调整。

2.5.3　IGBT电路的设计

IGBT的选取需要考虑三方面的因素：开关速度、额定电压和额定电流。设计IGBT电路时，大功率三相光伏并网逆变器没有Boost升压电路，逆变电路的每一个桥臂由一个IGBT组成，然后六桥臂共6个IGBT构成三相全桥电路。逆变器的额定输出功率P=500kW，交流输出线电压U=270V。根据500kW光伏逆变器的技术要求，直流母线电压最高为850V，考虑到关断尖峰可能要达到1.2倍，因此IGBT耐压要超过850×1.2=1020V，系统的额定功率为500kW，流过IGBT的电流为

额定功率下，流经每个IGBT的电流为1069A，考虑1.4倍以上的裕量，选取1600A，最高端电压为850V（700V×1.2，逆变器中间直流电压为700V，考虑20％的裕量）。

根据上述参数的计算，IGBT选用英飞凌公司生产的FZ1600R12IP4，基本参数为1600A/1200V/半桥，配备数量为6个。

在IGBT电路设计过程中，每个IGBT半桥电路两端并联一个吸收电容，可以抑制开关管关断瞬间产生的电压尖峰。

IGBT模块的两端通过复合母排连接到直流吸收电容的两极上。选用复合母排以后，不但可以减小在IGBT开关过程中产生的过电压，而且还可以降低电磁干扰，提高了逆变器的电磁兼容（EMC）性能。

2.5.4　吸收电容的选择

为了消除由于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）母排的杂散电感引起的尖峰电压，避免绝缘栅双极型晶体管的损坏，需要在电路中加入吸收电容。吸收电容在电路中起的作用类似于低通滤波器，可以吸收掉尖峰电压。

母线电感以及缓冲电路及其元件内部的杂散电感，对IGBT电路尤其是大功率IGBT电路，有极大的影响。吸收电容的选取要考虑使用环境，就是电路电压、吸收频率。为安全起见，容量一般不要太大，电容要选高频性能好、反应速度快的电容，电压等级和IGBT的等级一致，一般为1200VDC。为了得到准确的吸收电容值，设计如图2-58所示的吸收电路。

此吸收电路的特点在于巧妙借鉴了传统放电阻止型吸收电路的拓扑结构，同一桥臂的两个IGBT吸收电容与辅助放电电感及钳位二极管串联，再交叉连接到逆变器直流侧输入端。吸收电容上的过冲能量通过振荡转移到放电电感中，既限制了放电冲击，又不消耗能量。同时，放电电感有多条允许的路径将能量回馈至电源或馈送至负载。可见，此电路适合用于大功率IGBT电路。

此吸收电路中吸收电容Cs的选取与传统IGBT逆变器吸收电路中Cs的选取原则相同，都是由电路容许的吸收电压峰值ΔU来确定其参数。如果已经确定了ΔU的限定值，则可用式（2-26）确定Cs的值：

式中，Lp为母线寄生电感，H；i为关断电流，A。选取Lp=100nH，i=1000A，ΔU=59.2V，计算得：Cs=3μF。

所以选取吸收电容为3μF/1200V。

2.5.5　网侧滤波器的设计

①滤波器电感的设计　光伏并网逆变器的输出电流的纹波系数决定滤波电感的最小值，额定工作时，电流纹波通常取峰值电流的15％～20％。本书设计取值15％，输出线电压270V，假设大功率三相光伏并网逆变器的效率为98％，可得：

式中，σ为电感的纹波电流系数；ΔILmax为电感的纹波电流；Poutmax为逆变器输出功率；Uout为逆变器输出电压的有效值；η为逆变器的输出效率。

式中，udc为逆变器的直流母线电压；u0为逆变器交流输出时的瞬时电压；L为滤波电感；D（t）为逆变器的占空比；fs为逆变器的开关频率。因为逆变器的工频频率远远小于开关频率，因此可得到

u0（t）=udcD（t）+[1-D（t）]×（-udc）　　（2-29）

又因为本设计采用的逆变电路为双极性，因此每个开关周期的占空比可表示为：

由以上公式得：

所以当u0（t）=0时，纹波电流具有最大值，

由于开关器件的频率限制，电感量L不方便取得太小，否则会引起非常剧烈的电流波动，导致系统输出的谐波含量会随之增大，此时主电路无法正常工作，因此，滤波器电感的取值要满足公式为：

逆变器直流母线的电压udc=700V，开关频率fs=3.6kHz，ΔILmax=695A

经过计算，最后取电感值为140μH。

②滤波器电容的设计　对于高过滤波器转折频率的高次谐波，LC低通滤波器将会以40dB/dec的速度衰减。若选择远低于开关频率的转折频率，则对谐波有比较明显的抑制作用。本设计开关频率为3.6kHz，取LC滤波器的转折频率为1500Hz，则：

最后取电容值为80μF。

2.5.6　参数设计总结

直流滤波器选择型号为B84142A1600S081，其参数为Udc=1000V，Idc=1600A；交流滤波器选择型号为B84143B1600S080，其参数为Uac=520V，Iac=1600A。

直流侧支撑电容：420μF/1100V。

吸收电容：3μF/1200V。

IGBT电路设计：基本参数为FF1600R12IP4，配备数量为6个。

LC滤波器设计：电感值为0.14mH，电容值为80μF。

主要材料表如表2-5所示。