太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器和電磁元件

摘要：逆變器是太陽(yáng)光發(fā)電站的主要部件之一，又屬于電源技術(shù)和電力電子技術(shù)的研究范圍。從太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的主電路出發(fā)，討論了其中的電磁元件的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)光發(fā)電站；逆變器；主電路；電磁元件

引言

太陽(yáng)光發(fā)電站是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的一種可再生能源發(fā)電方式。由于它利用潔凈的太陽(yáng)光能，有利于環(huán)境保護(hù)，無(wú)可動(dòng)部件，可分散靈活配置，將得到年增長(zhǎng)率超過(guò)20％的快速發(fā)展。因此，太陽(yáng)光發(fā)電站不僅受到能源和環(huán)境保護(hù)部門(mén)的重視，而且也受到電源和電力電子行業(yè)的關(guān)注。

太陽(yáng)光發(fā)電站的主要部件包括太陽(yáng)電池矩陣、充放電裝置、蓄電池、逆變器和控制檢測(cè)裝置。根據(jù)是否與外電網(wǎng)相連接，太陽(yáng)光發(fā)電站分為獨(dú)立型和并網(wǎng)型兩種。獨(dú)立型太陽(yáng)光發(fā)電站獨(dú)立運(yùn)行，與外電網(wǎng)沒(méi)有聯(lián)系，裝有大容量電池，在陰雨天也可以保證用戶的用電需要。并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站輸出直接與低壓配電網(wǎng)相聯(lián)，例如，現(xiàn)在國(guó)外正大力發(fā)展的家庭用太陽(yáng)光發(fā)電站，都規(guī)定與外電網(wǎng)相聯(lián)，不需要蓄電池。但是，有的并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站也裝有一定容量的蓄電池，起到類似不停電電源的作用，在發(fā)生事故時(shí)，仍然可保證向用戶供電。

不管是獨(dú)立型還是并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站，都需要逆變器作為主要部件。因此，太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器，已成為電源和電力電子行業(yè)的一個(gè)熱門(mén)研究課題。和其他電源設(shè)備一樣，太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器中的電磁元件，是其中的主要元件之一。由于太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器對(duì)效率和使用條件有特殊要求，其中的電磁元件也具有鮮明的特殊性，本文將從太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的主電路出發(fā)，討論其中的電磁元件的一些問(wèn)題。

1 太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器主電路

太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器有三個(gè)不同于其他逆變器的特點(diǎn)。

1）效率高現(xiàn)在常用的太陽(yáng)電池矩陣的光電轉(zhuǎn)換效率15％，非常低，如果逆變器效率低，將太陽(yáng)電池好不容易轉(zhuǎn)換來(lái)的電能損耗掉，十分可惜，因此，要求逆變器效率高。否則的話勢(shì)必要增加矩陣中太陽(yáng)電池組件的數(shù)量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加了太陽(yáng)光發(fā)電站的設(shè)備投資和土建費(fèi)用。所以，一般要求10kVA以下的逆變器效率要>90％，10kVA以上的逆變器效率要>95％。

2）波形畸變小而功率因數(shù)高并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站輸出要與外電網(wǎng)相聯(lián)，逆變器輸出波形必須與外電網(wǎng)相一致。要求波形畸變5％，高次諧波含量3％，功率因數(shù)接近1。獨(dú)立型太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的波形畸變可以大一些（10％），但是，為了降低輸電線路損耗，也希望波形接近正弦波，功率因數(shù)接近1，減少無(wú)功功率損耗。

3）能滿足使用條件要求大多數(shù)獨(dú)立型太陽(yáng)光發(fā)電站用于偏遠(yuǎn)山區(qū)和海島，要求逆變器能承受比較惡劣的使用條件，同時(shí)保證能在少維護(hù)條件下長(zhǎng)期工作。由于大多數(shù)并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站用于家庭，要求逆變器的電磁干擾小，不影響人的生活環(huán)境，也不妨礙其他家用電器的正常工作。

當(dāng)然，太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器根據(jù)市場(chǎng)要求，和其他商品一樣，在滿足使用要求的前提下，追求性能價(jià)格比高，成本低，體積小，重量輕。

一般按照輸出的絕緣形式，把太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的主電路分為工頻變壓器絕緣方式；高頻變壓器絕緣方式；無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式；正激變壓器絕緣方式。下面根據(jù)對(duì)太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的要求，分別對(duì)這4種主電路進(jìn)行介紹。

1.1 工頻變壓器絕緣方式

采用工頻變壓器使輸入的太陽(yáng)電池矩陣和輸出端的電網(wǎng)絕緣，主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為電壓型和電流型兩種。一般采用電壓型工頻逆變器。大容量和輸入為低壓大電流的采用電流型工頻逆變器，輸入中串有大電感，承受的電壓應(yīng)力小，有利于開(kāi)關(guān)器件工作。工頻變壓器絕緣方式電路簡(jiǎn)單，變換只有一級(jí)，效率較高，制造成本低。一般工頻逆變不采用SPWM控制，輸出是矩波形，要經(jīng)過(guò)強(qiáng)有力的濾波措施，才能使輸出正弦波形畸變5％。由于電路中的半導(dǎo)體器件少，可適應(yīng)比較惡劣的使用條件。開(kāi)關(guān)頻率低，產(chǎn)生的電磁干擾小。雖然主變壓器和濾波電感體積大，但是，可采用低頻材料制造，成本并不高。這種方式的逆變器主要用于獨(dú)立型太陽(yáng)光發(fā)電站。

1.2 高頻變壓器絕緣方式

采用高頻變壓器使輸入的太陽(yáng)電池矩陣和輸出端的電網(wǎng)絕緣，主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，變換分為兩級(jí)。圖2（a）中第一級(jí)為SPWM高頻逆變器，通過(guò)高頻變壓器后整流濾波，再經(jīng)第二級(jí)工頻逆變器，變?yōu)楣ゎl正弦波電壓輸出。圖2（b）中第一級(jí)為PWM高頻逆變器，通過(guò)高頻變壓器和第二級(jí)周波數(shù)變換器，直接變?yōu)楣ゎl正弦波電壓輸出，也不象一般周波數(shù)變換器那樣要求開(kāi)關(guān)器件雙向工作，只要單向工作就可以實(shí)現(xiàn)變換，雖然減少了整流濾波環(huán)節(jié)，效率較高，但是，電路和控制比圖2（a）復(fù)雜。圖2（c）電路為現(xiàn)在家庭用太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器主電路，基本結(jié)構(gòu)和圖2（a）一樣，為了消除零線電流，采用單相三線制輸出。

高頻變壓器比工頻變壓器體積小，重量輕，成本低。但是，經(jīng)兩級(jí)變換，效率問(wèn)題比較突出，只要采用低損耗吸收電路和認(rèn)真選擇電磁元件，仍然可以使效率超過(guò)90％。由于有SPWM控制和周波數(shù)變換，輸出波形畸變小，不需要強(qiáng)有力的濾波，不過(guò)高頻電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重，要采用濾波和屏蔽等抑制措施。這種方式的逆變器主要用于并網(wǎng)型太陽(yáng)光發(fā)電站。

1.3 無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式

為了進(jìn)一步降低成本，提高效率，已開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)光發(fā)電站用無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式逆變器主電路，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中圖3（a）電路前面為升壓電路，后面為SPWM工頻逆變器。升壓電路可以和不同輸出電壓的太陽(yáng)電池匹配，把太陽(yáng)電池的輸出電壓升高到370V左右，盡管由于天氣變化因素使太陽(yáng)電池輸出電壓發(fā)生變化，有了升壓部分后，可以保證逆變部分輸入電壓比較穩(wěn)定。同時(shí)提高了電壓，減少了電流，可以降低逆變部分損耗。升壓電路還可以對(duì)輸入的功率因數(shù)進(jìn)行校正。圖3（b）電路為單相三線制輸出電路，只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單變換，就可以變?yōu)閳D3（c）的三相輸出電路。

逆變器無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式的主電路不能使輸入的太陽(yáng)電池與輸出電網(wǎng)絕緣，故輸入太陽(yáng)電池的正負(fù)極不能直接接地。太陽(yáng)電池矩陣面積大，存在對(duì)地電容，在工作中將出現(xiàn)等效電容充放電電流。其中低頻部分，有可能使供電電路的漏電開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，而造成停電。這可以通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)方式來(lái)消除它。其中高頻部分將通過(guò)配電線對(duì)其他用電設(shè)備造成電磁干擾，而影響其他用電設(shè)備的正常工作，因此，在逆變器輸出部分要加電感電容濾波來(lái)消除它。此外，還要加共模濾波器，防止太陽(yáng)電池受高頻逆變器的電磁干擾。還有，為了防止太陽(yáng)電池正負(fù)極接地，從而造成逆變器主電路損壞，通過(guò)電流互感器或者霍爾檢測(cè)器，檢測(cè)太陽(yáng)電池正、負(fù)極的接地電流，如果超過(guò)規(guī)定值，立即切斷逆變器主電路，進(jìn)行保護(hù)。逆變器無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式主電路比工頻變壓器絕緣方式復(fù)雜一些，比高頻變壓器絕緣方式簡(jiǎn)單，仍然是單級(jí)變換、效率高。沒(méi)有變壓器，體積小、重量輕、成本較低，是到目前為止比較好的一種主電路方式。

1.4 正激變壓器絕緣方式

逆變器無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式主電路雖然各項(xiàng)指標(biāo)比較好，但是，太陽(yáng)電池與外電網(wǎng)沒(méi)有絕緣隔離，存在不安全因素，為了進(jìn)行保護(hù)和防止電磁干擾，要采取許多防護(hù)措施。因此，最近開(kāi)發(fā)出逆變器正激變壓器絕緣方式主電路，如圖4所示，是把圖3（a）中的升壓電路中的電感器變?yōu)檎ぷ儔浩?，同時(shí)進(jìn)行升壓和絕緣隔離，既保持了無(wú)變壓器無(wú)絕緣方式主電路的優(yōu)點(diǎn)，又增加了絕緣隔離功能，使工作更安全可靠。當(dāng)然，要增加正激變壓器，使體積、重量、成本有所增加，但是，從試制樣品來(lái)看，在直接輸入200V，交流輸出100V，載波頻率20kHz條件下，輸出波形接近正弦波，功率因數(shù)接近1，從空載到滿3kVA時(shí)，效率都>90％，成本仍然為用戶可接受。

2 太陽(yáng)光發(fā)電站逆變器中的電磁元件

2.1 工頻變壓器

在逆變器采用工頻變壓器絕緣的主電路中，起絕緣及功率變換作用的電磁元件是工頻變壓器。磁芯多數(shù)采用冷軋取向硅鋼E型沖片疊裝而成。線圈采用高強(qiáng)度漆包銅線。為了降低鐵損和銅損，磁芯工作磁通密度取1.1～1.1T，線圈工作電流密度取1.5A/mm2。因此，工頻變壓器體積大，重量重。從國(guó)外的工頻變壓器絕緣方式的太陽(yáng)光發(fā)電用逆變器的樣機(jī)來(lái)看，其中工頻變壓器約占逆變器總重量的50％，逆變器總效率約為90％左右。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)的10kVA工頻變壓器絕緣的太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器，工頻變壓器采用鐵基非晶合金卷繞式磁芯，鐵損只有冷軋取向硅鋼疊片式磁芯的1/5，總體效率可以達(dá)到95％。工作磁通密度取1.3T，體積和重量比硅鋼磁芯還小。因此，可以預(yù)測(cè)在10kVA以上的太陽(yáng)光發(fā)電站中，由于開(kāi)關(guān)器件工作電流大，開(kāi)關(guān)頻率不宜高，而采用工頻變壓器絕緣的逆變器，其工頻變壓器采用鐵基非晶合金卷繞式磁芯或者搭接式磁芯，效率高，成本也比較低，是一種綜合指標(biāo)較好的方案。

2.2 高頻變壓器

在逆變器采用高頻變壓器絕緣的主電路中，起絕緣及功率變換作用的電磁元件是高頻變壓器，多數(shù)采用MnZn軟磁鐵氧體作為磁芯。高頻變壓器絕緣的逆變器大量用于家庭太陽(yáng)光發(fā)電站。其開(kāi)關(guān)器件采用IGBT，工作頻率20～40kHz，處于高頻范圍的低端，并不能充分發(fā)揮MnZn軟磁鐵氧體的優(yōu)點(diǎn)。因此，可以考慮另一種方案，采用鐵基非晶合金環(huán)型和CD型磁芯來(lái)制作逆變器中的高頻變壓器。

例如，新開(kāi)發(fā)的鐵基含鈷非晶合金1K104，其飽和磁通密度1?86T，居里溫度457℃，磁致伸縮系數(shù)1.4910－6。熱處理后，在200kHz/0.2T下?lián)p耗為3.7W/kg，20kHz/0.5T下?lián)p耗為25.6W/kg，40kHz/0.5T下?lián)p耗小于40W/kg。而MnZn軟磁鐵氧體，其飽和磁通密度0.4T，居里溫度180℃，磁致伸縮系數(shù)為1410－6，在20kHz/0.2T下?lián)p耗為12.5W/kg。從這兩種材料性能對(duì)比可以看出，采用1K104鐵基非晶合金太陽(yáng)光發(fā)電站用高頻變壓器，工作磁通密度高，可達(dá)0.5T，它的體積和重量比軟磁鐵氧體小，總損耗小，效率比軟磁鐵氧體高。它的居里溫度高，在－70℃～＋100℃范圍內(nèi)受溫度變化影響比軟磁鐵氧體影響小。它的磁致伸縮系數(shù)小，產(chǎn)生的電磁干擾比軟磁鐵氧體低。因此，是工作頻率為20kHz～40kHz逆變器中高頻變壓器比較理想的磁芯材料。

2.3 驅(qū)動(dòng)變壓器

在逆變器中，進(jìn)行信號(hào)變換和驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的電磁元件是驅(qū)動(dòng)變壓器。工頻驅(qū)動(dòng)變壓器采用冷軋取向硅鋼沖片疊裝磁芯。高頻驅(qū)動(dòng)變壓器采用MnZn軟磁鐵氧體磁芯。驅(qū)動(dòng)變壓器參數(shù)與采用的驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)。圖5是一種驅(qū)動(dòng)IGBT的電路原理與相關(guān)波形圖。驅(qū)動(dòng)變壓器原邊和副邊都工作在正弦波電壓下，在正弦波電壓高于門(mén)限電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通，低于門(mén)限電壓時(shí)，斷開(kāi)。穩(wěn)壓器Dz決定門(mén)限電壓Vth的大小，使它與副邊輸出電壓幅值相近，從而使開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通接近180。在這種驅(qū)動(dòng)電路中，工作在正弦波電壓下的驅(qū)動(dòng)變壓器損耗小，體積和重量也小，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。

作為高頻SPWM逆變電路中的驅(qū)動(dòng)變壓器，載波頻率一般都高于20kHz，還要進(jìn)行正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）。驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)變壓器比圖5中要復(fù)雜一些，但是，設(shè)計(jì)原則仍然是減小損耗，降低體積、重量和制造成本。一般都采用MnZn軟磁鐵氧體磁芯來(lái)制作SPWM驅(qū)動(dòng)變壓器。

2.4 濾波電感器

在逆變器中，起消除直流和交流中高次諧波作用的電磁元件是濾波電感器。直流濾波電感器接在逆變器的輸入端，要承受直流和交流的疊加，工作電流大，電感也大，要求磁芯具有恒磁導(dǎo)特性，至少是同樣參數(shù)的交流濾波電感器容量的2倍。交流濾波電感器只承受交流，磁芯中磁通雙向工作，不要求具有恒磁導(dǎo)特性，磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于直流濾波電感器，一般與電容器組成π型或者T型濾波電路，主要針對(duì)高次諧波含量最大的3次諧波來(lái)設(shè)計(jì)。直流濾波電感器可采用鐵粉芯，交流濾波電感器采用取向硅鋼和非晶合金。

圖5

2.5 貯能電感器和正激變壓器

在逆變器采用無(wú)變壓器無(wú)絕緣的主電路中，升壓部分起貯能和變換作用的電磁元件是貯能電感器。由于它的線圈只有一個(gè)繞組，在變換同樣容量的條件下，體積和重量都比變壓器小。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)升壓電路型式和參數(shù)來(lái)決定。但是損耗也比變壓器小，因此，無(wú)變壓器無(wú)絕緣的逆變器效率高，貯能電感器可采用鐵粉芯、取向硅鋼和非晶合金。

從無(wú)變壓器無(wú)絕緣的逆變器改進(jìn)而來(lái)的正激變壓器絕緣的逆變器中，起貯能和變換及絕緣作用的電磁元件是正激變壓器，其設(shè)計(jì)原則與升壓部分貯能電感器類似，只是多了副繞組和恢復(fù)繞組，體積和重量比同容量高頻變壓器大。不過(guò)總體效率仍然比采用高頻變壓器絕緣的逆變器高。具體設(shè)計(jì)原則仍然是減小損耗，降低體積、重量和制造成本，正激變壓器可采用軟磁鐵氧體和非晶體合金，一般載波頻率為20kHz左右。

2.6 抗電磁干擾濾波電感器

在太陽(yáng)光發(fā)電站逆變器主電路中，輸入和輸出端都應(yīng)當(dāng)接抗共模和差模干擾的濾波電路，其中的濾波電感器參照抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？闺姶鸥蓴_共模濾波電感器可采用軟磁鐵氧體和非晶納米晶磁芯，差模濾波電感器采用軟磁鐵氧體磁芯。

3 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器的主電路在不斷地發(fā)展和變化，其電磁元件也在不斷地發(fā)展和變化，但是，離不開(kāi)太陽(yáng)光發(fā)電站逆變器追求效率高，波形畸變小，能滿足各種使用條件和成本低的要求，因此，在選用和設(shè)計(jì)太陽(yáng)光發(fā)電站用逆變器中的電磁元件時(shí)，一定要以此為出發(fā)點(diǎn)。