CN102522228B - 电压支撑电容模块 - Google Patents

Abstract

一种用于对直流电压进行电压支撑的电压支撑电容模块，包括：第一活动电容器单元，一端连接到正极且另一端连接到接地；第二活动电容器单元，一端连接到接地，另一端连接到负极；第一固定电容器单元，一端连接到正极且另一端连接到接地；第二固定电容器单元的一端连接到接地，另一端连接到负极，其中，第一活动电容器单元和第二活动电容器单元中的每一个包括K个串联连接的铝电解电容器组，每个电解电容器组包括并联连接的L个铝电解电容器和一个电阻器，第一固定电容器单元和第二固定电容器单元中的每一个包括M个串联连接的薄膜电容器组，每个薄膜电容器组包括并联连接的N个薄膜电容器和一个电阻器，其中，K、L、M和N是不小于1的整数。

Description

电压支撑电容模块

技术领域

本发明涉及一种电压支撑电容模块，更具体地讲，涉及一种将铝电解电容器和薄膜电容器混合使用的对风电变流器的直流电压进行电压支撑的电压支撑电容模块。

背景技术

随着国家对风能开发的日益重视，风力发电得到了迅速发展，装机容量日益增大，风力发电机的使用寿命问题也越来越受到关注。风力发电机的变流器是能量转换控制的核心，其核心硬件IGBT功率模块中，用于对风力发电机输出(经过整流)的直流电压进行支撑的直流支撑电容器是影响使用寿命的主要部件之一。

风电变流器直流母线需要采用电压支撑电容(以下，简称为支撑电容)进行储能、电压支撑等，以满足变流器的正常工作功能要求。这里的电压支撑指的是抑制纹波电压并使直流电压保持在一定程度。通常，直流支撑电容可选用铝电解电容或金属膜电容。

一般铝电解电容器因其材料限制最高标称电压值为500-600V，因此为了获得高耐压，铝电解电容器需要串联。但是由于铝电解电容器初始电荷及漏电流差异比较大，将其串联使用时则必须特别考虑电容的均压，否则，电容器容易发生爆炸或漏液等事故。此外，为了防止串联的电容器过压，需要留有较多的电压裕量。同时串联支路的每一个电容器需要加均压电阻进行均压，但是均压电阻多，存在着损坏风险，增加了系统的不可靠性。

另一方面，为了获得高的电容容量又需要将电容器并联，但是并联的电容数量越多，均压电路也就越多，电容的漏电流和容值匹配的一致性越好。但是，并联会导致整个铝电解电容组体积大且需要复杂的母排设计。此外，如图1所示的并联后串联的铝电解电容器模块还具有如下缺点：1)寿命短，一般寿命为常温下工作5年；2)不易于储存，一般常温下储存2-3年就需要电容激活，否则电容耐压和容值会降低，漏电流会增大。

薄膜电容器具有如下的优点：承受高有效值电流力(可达1A/uF)、能承受两倍于额定电压的过压、能承受反向电压、承受高峰值电流、使用寿命长(可达达10-20年)、可长时间存储等。但是，由于薄膜电容器的介电损耗小，从而导致其无法做成大的容量。图2是现有技术中基于薄膜电容器的支撑电容模块的示图。

因此，为了解决现有技术中存在的上述不足，需要提供能够延长支撑电容模块的使用寿命、减少电容数量、减小模块体积且提高电容器的利用率的支撑电容模块。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种混合使用铝电解电容器和薄膜电容器的支撑电容模块。

一种用于对直流电压进行电压支撑的电压支撑电容模块，包括：活动电容器模块，包括第一活动电容器单元和第二活动电容器单元，其中，第一活动电容器单元的一端连接到所述直流电压的正极且另一端连接到接地，第二活动电容器单元的一端连接到接地，另一端连接到所述直流电压的负极；固定电容器模块，包括第一固定电容器单元和第二固定电容器单元，其中，第一固定电容器单元的一端连接到所述直流电压的正极且另一端连接到接地，第二固定电容器单元的一端连接到接地，另一端连接到所述直流电压的负极，其中，第一活动电容器单元和第二活动电容器单元中的每一个包括K个串联连接的铝电解电容器组，每个电解电容器组包括并联连接的L个铝电解电容器和一个电阻器，第一固定电容器单元和第二固定电容器单元中的每一个包括M个串联连接的薄膜电容器组，每个薄膜电容器组包括并联连接的N个薄膜电容器和一个电阻器，其中，K、L、M和N是不小于1的整数。

所述直流电压为对风力发电机输出的经过整流后的直流电压。

当所述电压支撑电容模块的额定电压为1200V，额定电流为150A时，铝电解电容器为400V/6800uf的铝电解电容器，薄膜电容器为1200V/128uf的薄膜电容器，且K等于2，L等于1，M等于1，N等于2。

当所述电压支撑电容模块的额定电压1150V，额定电流为300A时，铝电解电容器为400V/6800uf的铝电解电容器，薄膜电容器为1200V/220uf的薄膜电容器，且K等于2，L等于1，M等于1，N等于6。

所述风力发电机是1.5MW风力发电机。

所述活动电容器模块可拆卸地安装到所述电压支撑电容模块。

本发明提供的支撑电容模块，不仅能够延长支撑电容模块的使用寿命、减少电容数量、减小模块体积，而且能够提高电容器的利用率。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将会变得清楚和更易于理解，其中：

图1是根据现有技术的基于铝电解电容器的支撑电容模块的示图；

图2是根据现有技术的基于薄膜电容器的支撑电容模块的示图；

图3是根据本发明的示例性实施例的支撑电容模块的示图。

具体实施方式

现在对本发明实施例进行详细的描述，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。

针对1.5MW风力发电机变流器的支撑电容模块，本发明的技术方案将铝电解电容和薄膜电容的混合连接形式应用到直流母线中点接地的风电变流系统(例如1.5MW风力发电机变流器)，其中由四个铝电解电容串联组成活动电容器模块，由四个薄膜电容两并两串组成固定电容器模块，活动电容器模块主要用于滤波和电压支撑，固定电容器模块主要用于支撑纹波电流。活动电容器模块可拆卸地结合到所述支撑电容模块，因此便于对活动电容器模块进行更换。

以下，结合图3来描述根据本发明的示例性实施例的支撑电容模块，其中，图3是根据本发明的示例性实施例的支撑电容模块的示图。

如图3所示，根据本发明的示例性实施例的支撑电容模块100包括具有铝电解电容器的活动电容器模块和具有薄膜电容器的固定电容器模块。具体地讲，支撑电容模块包括具有第一活动电容器单元110和第二活动电容器单元120的活动电容器模块以及具有第一固定电容器单元130和第二固定电容器单元140的固定电容器模块。

第一活动电容器单元110的一端连接到直流电压的正极(以下，简称正极)，另一端连接到接地。第二活动电容器单元120的一端连接到接地，另一端连接到直流电压的负极(以下，简称负极)。第一固定电容器单元130的一端连接到正极，另一端连接到接地。第二固定电容器单元140的一端连接到接地，另一端连接到负极。

第一活动电容器单元110和第二活动电容器单元120以接地节点对称，即，第一活动电容器单元110和第二活动电容器单元120中的每一个包括K个串联连接的铝电解电容器组，且每个电解电容器组包括并联连接的L个铝电解电容器和一个电阻器，这里K和L是不小于1的整数。在图3中，K为2，L为1。

相似地，第一固定电容器单元130和第二固定电容器单元140以接地节点对称，即，第一固定电容器单元130和第二固定电容器单元140中的每一个包括M个串联连接的薄膜电容器组，且每个薄膜电容器组包括并联连接的N个薄膜电容器和一个电阻器，这里M和N是不小于1的正整数。在图3中，M为1，N为2。

对于需要额定电压1150V/额定电流150A的情况，需要的电容为

$C=\frac{I_{\mathrm{rms}}}{U_{\mathrm{ripple}}\×2\×\mathrm{\π}\×f}$

其中，U_ripple为允许的纹波电压，I_rms为2KHz下的有效电流。

在2KHz频率下，需要的电容C约为6800uf，且考虑到铝电解电容器的每uf的I_rms为22mA/uf。如果全部使用铝电解电容器时，对于16个400V/6800uf的铝电解电容器，通过4个并联形成一组并串联4个这种组来形成电容模块(如图1所示)。

如果使用根据本发明的铝电解电容器和薄膜电容器的混合方案，且使用400V/6800uf的铝电解电容器时，为了支撑1150V且考虑到足够的余度，将使用4个铝电解电容器(如图3所示)，则流过铝电解电容器的有效电流为：

而对于薄膜电容器，I_薄膜＝150-I_电解＝113(A)＝C×0.22A/uf。

根据上述公式可推出固定电容器单元的总容量为514uf，且514uf的电容器可以由1200V/128uf的薄膜电容器通过串联2组由2个薄膜电容器并联形成的电容组而形成。

此外，对于额定电压1150V/300A的情况，若全部使用铝电解电容，则对于32个400V/6800uf的铝电解电容器，需要进行8个并联形成一组并串联4个这种组来形成电容模块。当使用根据本发明的混合方案时，需要串联4个400V/6800uf铝电解电容器，需要以并联6个形成一组并串联2个这种组形式的12个薄膜电容器，即，共需要16个电容器。

因此，相比于全部使用铝电解电容器的情况，将铝电解电容和薄膜电容混合使用的情况可减少电容器的数量，从而减少体积。

对于支撑电容模块的使用寿命，由于铝电解电容器的使用寿命(一般是4-5年)一般为薄膜电容器的使用寿命(一般是20年)的1/5至1/4。因此，相比于如上所述的使用寿命为4-5年的全部使用铝电解电容器的支撑电容模块。由于可通过定期更换可拆卸的铝电解电容器构成的活动电容模块，根据本发明的支撑电容模块的使用寿命能够达到20年，因此延长了整个支撑电容模块的使用寿命。

根据本发明的支撑电容模块，由于由低寿命的铝电解电容器构成的活动电容模块是可拆卸地结合到支撑电容模块，因此便于对支撑电容模块的维护。

虽然已表示和描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (5)

1.一种用于对直流电压进行电压支撑的电压支撑电容模块，其特征在于，包括：

活动电容器模块，包括第一活动电容器单元和第二活动电容器单元，其中，第一活动电容器单元的一端连接到所述直流电压的正极且另一端连接到接地，第二活动电容器单元的一端连接到接地，另一端连接到所述直流电压的负极；

固定电容器模块，包括第一固定电容器单元和第二固定电容器单元，其中，第一固定电容器单元的一端连接到所述直流电压的正极且另一端连接到接地，第二固定电容器单元的一端连接到接地，另一端连接到所述直流电压的负极，

其中，第一活动电容器单元和第二活动电容器单元中的每一个包括K个串联连接的铝电解电容器组，每个铝电解电容器组包括并联连接的L个铝电解电容器和一个电阻器，

第一固定电容器单元和第二固定电容器单元中的每一个包括M个串联连接的薄膜电容器组，每个薄膜电容器组包括并联连接的N个薄膜电容器和一个电阻器，

其中，K、L、M和N是不小于1的整数，

其中，所述直流电压为对风力发电机输出的经过整流后的直流电压。

2.根据权利要求1所述的电压支撑电容模块，其特征在于，当所述电压支撑电容模块的额定电压为1200V，额定电流为150A时，

铝电解电容器为400V/6800uf的铝电解电容器，薄膜电容器为1200V/128uf的薄膜电容器，且K等于2，L等于1，M等于1，N等于2。

3.根据权利要求1所述的电压支撑电容模块，其特征在于，当所述电压支撑电容模块的额定电压1150V，额定电流为300A时，

铝电解电容器为400V/6800uf的铝电解电容器，薄膜电容器为1200V/220uf的薄膜电容器，且K等于2，L等于1，M等于1，N等于6。

4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的电压支撑电容模块，其特征在于，所述风力发电机是1.5MW风力发电机。

5.根据权利要求1所述的电压支撑电容模块，其特征在于，所述活动电容器模块可拆卸地安装到所述电压支撑电容模块。

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