PDF《35 kV 直挂集装箱式 STATCOM 散热系统分析与计算》

static synchronous compensator (STATCOM) ;

element loss;

thermal value;

wind velocity 第39卷第6期: 0053-0058 2018年12月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor &

Reactive Power Compensation Vol.39, No.6: 0053-0058 Dec.

2018 ・ ・

53 2018年第6期 电力电容器与无功补偿 第39卷 型提供参考, 但未对实际工程进行对比测试;

文献[11] 利用 Icepak 仿真分析对安装在集装箱结构 散热系统进行了分析, 但对发热量计算粗略, 散热 系统设计时确少准确数据. 本文分析了

35 kV 直挂集装箱式 STATCOM 的 结构, 通过对其内的 H 桥功率单元功率器件的损 耗分析, 推导出了一套适用于工程的功率器件平均 损耗关系式, 计算出集装箱内总发热量.对35 kV/

20 Mvar 直挂集装箱式 STATCOM 进行风机容量设 计及 选型, 并在工程中对集装箱结构进行改造, 且 进行了风速测试, 验证改造的有效性.

1 STATCOM集装箱模型

35 kV 直挂集装箱式 STATCOM 采用多单元集 成抽屉式功率模块, 并分为控制柜和功率单元部 分, STATCOM 原理如图

1 所示. 图1 集装箱正视图 Fig.

1 Front view of container 功率单元部分由多个 H 桥功率单元串联连接、 竖向层叠布置, 每3列对应一相.集装箱外形尺寸 长*宽*高:

12 900 mm*3

008 mm*2

946 mm, 总重量

51 t, 每相由

42 个功率单元、 挡板支架等组成, 功率 模块的尺寸为

305 mm*434 mm*676 mm、 H 桥功率 单元是最主要的发热部分, 主要有功率模块 IGBT (绝缘栅双极型晶体管) 、 其次为均压电阻.集装箱 功率单元部分的正面如图

2 所示. 由旋风除尘器、 H 桥功率单元、 挡风板、 进口风 机、 检修门等组成.集装箱背面有进线穿墙套管、 出风风机, 直流侧电容等.H 桥单元散热器采用 6063-T5 材质, 尺寸为

230 mm*310 mm*98 mm, 功率 器件与散热器间涂导热硅脂以增大导热系数, 散热 器后侧对应相应的出风口. 图2 STATCOM原理图 Fig.

2 Principle diagram of STATCOM

2 集装箱内散热量分析与计算 2.1 H桥功率单元散热分析 H 桥功率单元中桥臂采用两只 IGBT 并联, 以 增大电流容量, 此外 C1 为直流侧支撑电容, C2~C5 为 突波吸收电容, 消除 IGBT 开断过程中的电流变化 率, R 为均压电阻, 原理图如图

3 所示. 图3 功率单元原理图 Fig.

3 Principle diagram of power unit IGBT 模块由 IGBT 和反并联二极管组成, 其损 耗由二者共同决定.其中 IGBT 损耗分为开关损耗 及通态损耗, 反并联二极管损耗分为续流 FWD、 整 流损耗. {W = PI + Pon + Poff + PDiode WH = D * W * H (1) 式中: W 为单个 IGBT 模块总损耗;

PI 为IGBT 通态 损耗;

Pon 为IGBT 开通损耗;

Poff 为IGBT 关断损耗;

PDiode 为反并联二极管总损耗;

WH 为单个 H 桥功率单 元器件总损耗;

H 为单个 H 桥功率单元 IGBT 模块 个数;

D 为导通比. 2.1.1 开关损耗 在设备轻载至满载范围内, 关系曲线为近似通 过原点的直线, 为简化计算, 开关取值取满载状态 下即电流最大时开关损耗.根据厂家提供数据, 通 过采样法, 由公式计算斜率kon、 koff. {Eon = kon IC Eoff = koff IC (2)

150 ℃温度条件下损耗与电流关系曲线如图

4 ・ ・

54 2018年第6期 (总第180期) 所示. 图4 IGBT开关损耗 Fig.

4 Switching losses IGBT 取图

4 中K1 ( 200,

70 ) , K2 ( 200,

76 ) .带入式 (2) , 得kon = 0.35,koff = 0.38. 由于同一周期内开通关断时刻不同, 电流不 同, 工程中可采用以下公式计算单位周期内关断/导 通损耗功率 Poff和Pon的平均值, 避免了大量积分运算. ì í ? ? ? ? ? Pon =