本发明属于天然气电站有源逆变装置领域，尤其涉及天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法。

天然气电站是由若干台天然气发电机组构成的大功率供电系统。相比于传统的柴油发电机，天然气发电机组在节能减排和降低发电成本方面都有很大优势。但是，天然气发电机组的动态功率调节能力较差，这种动态响应慢的特性制约其在冲击性有功/无功功率负载等场合的应用，为此需要采用有源逆变装置快速补偿这种冲击性负载对瞬时有功或无功功率的需求。

由于补偿功率较大，补偿速度较快，而现有逆变装置通常工作在硬开关环境、较低的开关频率和较大的谐波，配备笨重的滤波器，未能最大效率的发挥逆变器的性能。

本发明是为了解决现有逆变装置通常工作在硬开关环境，开关频率低且谐波大，从而导致补偿速度慢，工作效率低的问题，现提供天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法。

天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法，该方法包括以下单元：

IGBT模块选型及控制参数的设计单元：

首先，根据天然气电站所需的有源逆变装置的容量，确定IGBT模块的型号；然后根据IGBT模块的型号获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw和此开关频率下IGBT模块的功耗Ptotal-loss；

Snubber电路的参数设计单元：

首先，根据IGBT器件在栅极电压下降时间的标称值tf，获得虚拟电容值CSN；然后，根据该虚拟电容值CSN获得缓压电容值CS，最后，根据缓压电容值CS获得缓冲电阻阻值的范围，并将最大的缓冲电阻阻值RS作为标称值电阻值；

阻尼LCL滤波器的参数设计单元：

首先，根据IGBT的最优开关频率fsw、天然气电站有源逆变器额定功率和允许的输出电流纹波，确定逆变器侧滤波电感值L1、交流滤波电容值C和网侧滤波电感值L2的范围；然后，通过上述参数的范围、逆变器输出电流谐波含量、阻尼损耗和无功容量比例，确定电感比k和阻尼电阻Rd；

直流滤波电容的参数设计单元：

根据天然气电站要求的逆变装置电压调节响应时间，并留取裕量，获得滤波电容值Cdc；

根据上述单元获得的所有参数构建天然气电站有源逆变装置功率回路，从而获得优化后的天然气电站有源逆变装置功率回路。IGBT模块选型及控制参数的设计单元中，确定IGBT模块的型号所需要的参数包括：IGBT模块的最大集射极电压Vces、重复峰值电流最大值Icm和重复峰值电流有效值Ic，确定上述参数的方法为：

使IGBT模块的截止耐压值Vce等于直流支撑电压值udc，并将该直流支撑电压值udc作为最大集射极电压Vces的参考值，考虑裕量，并取80％的额定电压，通过下式获得最大集射极电压值Vces，

Vces＝udc/0.8＝Vce/0.8；

根据下式获得重复峰值电流最大值Icrm：

I crm = 2 i g = 2 S / ( 3 u g ) ]]>

其中，S为逆变器额定视在容量，ig和ug分别为逆变器输出的相电流和相电压；

假设IGBT模块工作时间为半个工频周期IGBT模块控制占空比为50％，根据下式获得重复峰值电流有效值Ic：

I c = I crm 4 . ]]>

Snubber电路的参数设计单元中，通过下式获得虚拟电容值CSN：

C SN = 0.5 I crm t f V ce . ]]>

阻尼LCL滤波器的参数设计单元中，根据下式确定逆变器侧滤波电感值L1的范围：

2 u dc 16 f sw Δ i 1 ≤ L 1 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( m + 1 ) , ]]>

其中，udc为IGBT模块的直流支撑电压值，Δi1为天然气电站允许的电流纹波最大值，ug为逆变器输出的相电压，ωo为基频角频率，Pu为逆变器输出有功功率上限，m为网侧滤波电感值L2与逆变器侧滤波电感值L1的比值；

根据下式确定交流滤波电容值C的范围：

C ≤ f zc P u 3 ω o u g 2 ]]>

其中，fzc为滤波电容吸收的无功功率占逆变装置额定容量的百分比，fzc＜5％；

1 + | AF h | max 4 π 2 | AF h | max f h 2 C ≤ L 2 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( 1 k + 1 ) ]]>

其中，AFh为h次谐波衰减因子，即AFh＝i2h/i1h，i2h为网侧电流h次谐波，i1h为逆变器侧电流h次谐波，fh为h次谐波频率。

直流滤波电容的参数设计单元中，根据下式获得滤波电容值Cdc：

C dc ≤ 2 I dm t r * 3 u dc ln ( 3 - 4.68 u g u dc ) , ]]>

其中，Idm为最大直流充电电流，为逆变装置电压调节响应时间。

本发明所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法，根据功率器件的特性，对IGBT模块控制参数、阻尼LCL滤波器、直流滤波电容、Snubber电路(关断缓冲电路)等器件参数做出合理的选择，利用阻尼LCL滤波器取代传统的L型滤波器，其中IGBT模块控制参数的选择对改善逆变装置动态响应，节约成本和实现装置小型化起着决定性作用。即结合功率器件的特性和天然气电站允许的工作环境，对功率回路的参数进行了优化，并利用优化后的参数构建出新的优化功率回路实现逆变器装置工作频率、谐波抑制能力和系统响应速度的提升，降低了系统体积和成本，提高其性能和可靠性。适用于天然气电站的有源逆变装置功率回路的优化。

图1为有源逆变装置的电路结构示意图；

图2为天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法的参数设计顺序示意图；

图3为IGBT模块工作时的电流波形图，图中曲线1表示IGBT模块斩波电流，曲线2表示相电流，点3表示臂内换流，A部分表示IGBT器件工作部分，B部分表示二极管工作部分；

图4为天然气电站逆变装置受限功率圆，其中横坐标P表示逆变器有功成分，纵坐标Q表示逆变器无功成分，圆的半径S表示逆变器额定视在容量，Q1表示无功功率上限，Q2表示无功功率下限，P1表示有功功率下限，P2表示有功功率上限；

图5为天然气电站电网谐波曲线示意图；

图6为阻尼LCL滤波器谐波衰减因数随阻尼电阻变化曲线示意图；

图7为直流母线电压跃变时逆变器等效电路图。

具体实施方式一：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法，该方法包括以下单元：

IGBT模块选型及控制参数的设计单元：

首先，根据天然气电站所需的有源逆变装置的容量，确定IGBT模块的型号；然后根据IGBT模块的型号获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw和此开关频率下IGBT模块的功耗Ptotal-loss；

Snubber电路的参数设计单元：

首先，根据IGBT器件在栅极电压下降时间的标称值tf，获得虚拟电容值CSN；然后，根据该虚拟电容值CSN获得缓压电容值CS，最后，根据缓压电容值CS获得缓冲电阻阻值的范围，并将最大的缓冲电阻阻值RS作为标称值电阻值；

阻尼LCL滤波器的参数设计单元：

首先，根据IGBT的最优开关频率fsw、天然气电站有源逆变器额定功率和允许的输出电流纹波，确定逆变器侧滤波电感值L1、交流滤波电容值C和网侧滤波电感值L2的范围；然后，通过上述参数的范围、逆变器输出电流谐波含量、阻尼损耗和无功容量比例，确定电感比k和阻尼电阻Rd；

直流滤波电容的参数设计单元：

根据天然气电站要求的逆变装置电压调节响应时间，并留取裕量，获得滤波电容值Cdc；

根据上述单元获得的所有参数构建天然气电站有源逆变装置功率回路，从而获得优化后的天然气电站有源逆变装置功率回路。

本实施方式所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法，包括IGBT模块选型及控制参数的设计单元、Snubber电路的参数设计单元、阻尼LCL滤波器的参数设计单元和直流滤波电容的参数设计单元。其中IGBT模块是逆变器可靠工作的核心模块，因此先从IGBT模块切入，即由天然气电站逆变器装置容量确定IGBT模块的型号，在允许的额定功耗情况下，获得最佳开关频率；然后在该最佳开关频率下，添加辅助的Snubber电路以及采用介质冷却方式可进一步降低IGBT模块的结温温升，改善IGBT模块工作环境。再对Snubber电路，阻尼LCL滤波器以及直流滤波电容进行优化设计。其中IGBT模块结合Snubber电路参数的优化设计，对提升逆变器工作频率和逆变装置控制回路的响应速度、降低滤波器体积、成本和开关损耗等有着至关重要的作用，而阻尼LCL滤波器和直流滤波电容参数优化设计，则可进一步改善逆变器响应速度，增强其谐波抑制能力。大功率逆变器装置工作时开关频率较低，为了实现小型化，因此采用LCL滤波器。LCL输出滤波器性能的优异，但不合适的参数设计会恶化其工作性能。

本发明所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法主要特征是根据天然气电站特定工况，即冲击性有功/无功功率负载，允许谐波含量，燃气机动态响应等，结合有源逆变器容量、体积、成本、散热条件、谐波抑制能力等，优化选择功率器件参数。因此可以在同等散热条件和装机容量下，不牺牲系统可靠性，对功率回路的参数选型进行优化设计，提升主电路性能，并可降低逆变器装置成本。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，IGBT模块选型及控制参数的设计单元中，确定IGBT模块的型号所需要的参数包括：IGBT模块的最大集射极电压Vces、重复峰值电流最大值Icm和重复峰值电流有效值Ic，确定上述参数的方法为：

使IGBT模块的截止耐压值Vce等于直流支撑电压值udc，并将该直流支撑电压值udc作为最大集射极电压Vces的参考值，考虑裕量，并取80％的额定电压，通过下式获得最大集射极电压值Vces，

Vces＝udc/0.8＝Vce/0.8；

根据下式获得重复峰值电流最大值Icrm：

I crm = 2 i g = 2 S / ( 3 u g ) ]]>

其中，S为逆变器额定视在容量，ig和ug分别为逆变器输出的相电流和相电压；

假设IGBT模块工作时间为半个工频周期IGBT模块控制占空比为50％，根据下式获得重复峰值电流有效值Ic：

I c = I crm 4 . ]]>

本实施方式在实际应用时，在上述参数的基础上还要结合各个厂家的报价来最后确定所选IGBT的型号，达到减少成本的目的。同时根据天然气电站需求，逆变器需控制工作在如图4所示的受限功率圆内；

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，IGBT模块选型及控制参数的设计单元中，通过下式获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw的总功耗Ptotal-loss：

P total - loss = P IGBT + P VD = I crm 4 ( V ce - sat + V f ) + ( E off - test + E on - test + E rec - test ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test ]]>

其中，PIGBT为IGBT器件的损耗，PVD为反并联二极管的损耗，Vce-sat为IGBT器件饱和导通电压，Vf为正向导通电压，Vce为IGBT模块的截止耐压值；

通过下式获得IGBT在允许结温温升下的最优开关频率fsw范围：

1 f sw > > ( t d - on + t r + t d - off + t f ) I crm 4 I c - test V ce V ce - test P total - loss 0.6 P tot ]]>

其中，td-on和td-off分别为开通延时和关断延时标称值，tr和tf分别为栅极电压上升和栅极电压下降时间的标称值，Icrm为重复峰值电流最大值，Ptot为IGBT模块在正常结温下总损耗标称值；

式中所有参数均在出厂测试条件下获得，Eon-test和Eoff-test分别为出厂测试条件下的开通和关断单脉冲损耗标称值，该值能够通过查找技术手册获取；Erec-test为出厂测试条件下的反向恢复能耗，该值能够通过查找技术手册获取；Ic-test为出厂测试电流，Vce-test为出厂测试电压。

本实施方式中，在开关状态下，IGBT器件的损耗PIGBT包括：IGBT导通损耗Pon-IGBT和IGBT开关损耗Psw-IGBT，其关系如下：

P IGBT = P on - IGBT + P sw - IGBT = V ce - sat I c + ( E on - IGBT + E off - IGBT ) f sw E on - IGBT = E on - test I c I c - test V ce V ce - test E off - IGBT = E off - test I c I c - test V ce V ce - test ]]>

式中，Eon-IGBT为换算到特定工况下，IGBT器件单次脉冲导通损耗，Eoff-IGBT为换算到特定工况下，IGBT器件单次脉冲导关断损耗。

假设反并联二极管VD承受的反向截止耐压Vr等于udc，其重复峰值导通电流最大值Ifrm＝Icrm，则反并联二极管VD的重复峰值导通电流有效值为If＝Ifrm/4＝Icrm/4，如图3所示。

反并联二极管的损耗PVD包括反并联二极管导通损耗Pon-VD和反并联二极管反向恢复损耗Prec-VD，其关系如下：

P VD = P on - VD + P rec - VD = V f I f + E rec - VD f sw E rec - VD = E rec - test I f I f - test V r V r - test ]]>

式中，Erec-VD为换算到特定工况下，反并联二极管单次脉冲恢复损耗，Erec-test为反并联二极管单次脉冲恢复损耗，它属于器件出厂测试参数，If-test为相应的出厂测试电流，Vr-test为响应的出厂测试电压；一般情况下，出厂测试条件为Ic-test＝If-test，Vce-test＝Vr-test。

由此，既可以充分考虑到逆变器的容量、散热条件，还能够最大效能的发挥IGBT模块的开关频率，对逆变装置小型化至关重要。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，Snubber电路的参数设计单元中，通过下式获得虚拟电容值CSN：

C SN = 0.5 I crm t f V ce . ]]>

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，Snubber电路的参数设计单元中，通过下式获得缓压电容值CS：

CS＝0.64CSN。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，Snubber电路的参数设计单元中，通过下式获得缓冲电阻阻值的范围：

V ce / R s 0.6 I crm R S C S 0.8 τ min ]]>

其中，τmin为IGBT最短导通时间，WC为IGBT截止、二极管导通、缓压电容充电且IGBT模块的截止耐压缓升时单次脉冲的电能。

本实施方式中其中Uc表示IGBT关断时缓压电容端电压，这部分电能将完全消耗在缓冲电阻上。IGBT开通时，Snubber电路产生叠加放电电流，因此应该选择阻值较大的缓冲电阻加以抑制，但必须在开关管导通期间释放完毕存储的单次脉冲电能。缓冲电阻的功耗PRCD＝fswWC。

为实现对逆变器减小损耗的要求，采取如图1所示的Snubber电路。旁路二极管VDS应选择快恢复二极管，平均连续导通电流均值为0.5*Icm*tf*fsw。

IGBT模块参数的优化设计结合辅助的Snubber电路，能够在提升开关频率的同时，不引起功耗的显著增加。开关频率的提升对实现逆变器装置的小型化有至关重要的作用。由此IGBT模块结合Snubber电路，可以改善IGBT的工作环境，有助于减小IGBT模块的结温温升，有助于逆变装置的可靠连续运行。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，阻尼LCL滤波器的参数设计单元中，根据下式确定逆变器侧滤波电感值L1的范围：

2 u dc 16 f sw Δ i 1 ≤ L 1 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( m + 1 ) , ]]>

其中，udc为IGBT模块的直流支撑电压值，Δi1为天然气电站允许的电流纹波最大值，ug为逆变器输出的相电压，ωo为基频角频率，Pu为逆变器输出有功功率上限，m为网侧滤波电感值L2与逆变器侧滤波电感值L1的比值；

根据下式确定交流滤波电容值C的范围：

C ≤ f zc P u 3 ω o u g 2 ]]>

其中，fzc为滤波电容吸收的无功功率占逆变装置额定容量的百分比，fzc＜5％；

1 + | AF h | max 4 π 2 | AF h | max f h 2 C ≤ L 2 ≤ 3 2 u g u dc 2 4 - 2 u g 2 2 ω o P u ( 1 k + 1 ) ]]>

其中，AFh为h次谐波衰减因子，即AFh＝i2h/i1h，i2h为网侧电流h次谐波，i1h为逆变器侧电流h次谐波，fh为h次谐波频率。

根据逆变器输出电流谐波到网侧电流谐波的衰减要求来确定网侧滤波电感值L2的范围，其衰减因子传递函数表达如下，其波特图如图6所示，

AF ( s ) = i 2 ( s ) i 1 ( s ) = R d C · s + 1 CL 2 · s 2 + R d C · s + 1 , ]]>

根据天然气电站自身谐波含量情况，如图5所示，谐振频率fres应避开这一谐波频率。|AFh|max选择的谐波衰减因子fh＝fsw-2fo，其中fo为基频频率。

Pu是根据图4所示的受限功率圆进行选择的。为充分发挥LCL滤波器的优点、提升逆变器的工作性能，采用滤波电容串联阻尼电阻的方法减小谐振点震荡，并根据选择阻尼电阻，进而确定阻尼LCL滤波器各个参数。同时为提升逆变器谐波抑制能力和降低器件体积，采用可靠的阻尼LCL滤波器取代传统的L型滤波器。由此通过LCL滤波器的合理设计，可代替笨重的L型滤波器，节约成本，还可以使逆变装置结构更紧凑，电流控制的动态响应更快。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，阻尼LCL滤波器的参数设计单元中，电感比k为0.25，阻尼电阻值Rd取衰减因数在68％时对应的电阻阻值。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的天然气电站有源逆变装置功率回路获得方法作进一步说明，本实施方式中，直流滤波电容的参数设计单元中，根据下式获得滤波电容值Cdc：

C dc ≤ 2 I dm t r * 3 u dc ln ( 3 - 4.68 u g u dc ) , ]]>

其中，Idm为最大直流充电电流，为逆变装置电压调节响应时间。

在满足上限的情况下，Cdc取值越大越好，型号选择薄膜电容类型，既不失滤波性能，又可减小装置体积，降低成本，还可保证逆变器有着较快电压调节速度。出于对逆变装置的保护，通常逆变器控制回路电流调节有一个给定指令上限。逆变器在启动过程中，是以这个最大电流上限对直流电容进行充电，其他时间逆变器对直流电容充电电流要小的多。

逆变器电压最慢响应时间发生在逆变器从二极管整流状态变为可控稳压状态，此时逆变器等效电路如图7所示。考虑直流电压初始值为udco，以及最大直流充电电流Idm限制，则：

u dc - u dco = ( I dm R Le - u dco ) [ 1 - exp ( - t / τ 1 ) ] τ 1 = R Le C dc u dco = 2.34 u g , ]]>

其中，RLe为直流负载等效电阻，τ1为直流电压最大响应时间。