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光伏逆变器用三相三柱电抗器与三相五柱电抗器的应用比较

    摘 要:针对可再生能源逆变器需要并机运行以实现大功率电能输出的特点,通过分析现用逆变器的并网用滤波电抗器,提出了一种新型的兼具有共模电流抑制效果的三相五柱电抗器方案,在保证各相电路的差模感量的同时,通过解耦磁集成的方法,使三相电抗器的零序电抗器大大增加。应用在逆变器并机系统中,可减小电路中的滤波电抗器的数量,改善系统的电路结构,减少逆变器的成本,具有较大的实际应用价值。

    关键词太阳能逆变;三相三柱电抗器;三相五柱电抗器;零序电抗器;

    一、并网逆变器并联运行的系统模型
    基于可再生能源(如风能、太阳能等)的分布式发电技术是人类应对能源危机与解决环境污染的重要手段之一,近年来受到广泛重视。随着我国新能源产业的逐步发展,风力、光伏发电系统的容量也逐渐增加。单个并网逆变器已经不能满足风力、光伏发电的容量要求,因此,实现逆变器并联输出得到了广泛的研究。在参与并联的每个逆变器输出瞬时电压严格相等的情况下,并联系统内部理论上不存在环流,但是,由于构成逆变器的功率器件本身存在的触发延时差异等因素的存在,在各逆变器控制中即使使用同步控制信号,实现各逆变器输出瞬时电压严格一致也十分困难,因此,在实际应用中,逆变器并联系统中环流是普遍存在的。为了并联系统的稳定性, 抑制环流已成为实现并联控制的关键问题[1-4]。

    目前,并联环流的抑制方法主要集中在通过优化控制算法,保证各并联逆变器的输出一致,为了实现精准控制需要精密的检测元件、反馈系统、控制及驱动系统[3],导致逆变器的控制系统变得冗杂,成本、体积都相应地增大。而采用增加零序电抗器的方法则可在保证控制系统不变的情况下获得更好的并联效果,但增加零序电抗器意味着逆变器成本和体积的增加[5]。本文将通过磁集成技术,在不增加体积的情况下,将共模(零序)电抗器集成到逆变电抗器中。

    以由两台125 kW 三相逆变器并机组成的250kW 光伏逆变系统为例, 其常用的结构框图如图1所示。其中三相逆变电路采用多电平逆变拓扑,滤波器采用LCL 型滤波器,为了保证滤波器有足够的零序电抗器,前级滤波电抗器需要采用3 个独立的单相铁硅粉芯电抗器组成;后级滤波电抗器由于电流谐波较少,可以采用价格相对便宜的三相硅钢电抗器[6]。

    三相五柱电抗器结构:由于前级滤波电抗器采用3 个独立的单相铁硅粉芯电抗器组成,逆变器内部需要很多的连接结构,导致系统结构复杂,体积、成本相应增加。而采用铁硅粉芯材质作三相电抗器的磁芯,其3 个线圈各自漏感也可构成零序电抗器,其漏磁通主要由横穿过磁芯柱的旁路磁通组成,如图2 所示。而旁路磁通增大会使正序感量降低,正序谐波的抑制效果减弱;同时旁路磁通会穿过电感线圈,导致绕组涡流损耗的增加,对电抗器的效率、温升都会产生明显的影响[7,8]。为了保证三相电抗器具有足够的零序电抗器,在三相磁柱之外增加2 个磁柱,构成三相五柱式的电抗器,其产品结构及铁芯结构如图3 所示。

    二、三相五柱电抗器方案设计
    1、电抗器设计要求
    具有零序感抗的该三相五柱式电抗器的技术要求如下: 额定电压为400 Vac; 额定电流为216Aac;零序电流为60 A( 峰峰值),8kHz;初始感量为230μH;额定感量为100μH、305 Adc;零序感抗为大于200μH;额定频率为50Hz;开关频率为9kHz;谐波含量约为30%;逆变器拓扑为三电平逆变电路;产品尺寸为380 mm×200 mm×400mm。

    2、电抗器方案演算
    铁芯选型: 根据三相电抗器的经验公式及电抗器尺寸的要求,选定铁芯为相对磁导率60 的铁硅粉芯,铁芯柱截面为40 mm×75 mm,高度为260 mm,铁芯轭尺寸为40 mm×75 mm×300 mm,边柱尺寸为20mm×5 mm×260 mm,磁密为6000Gs。绕组选定:根据额定电流及其谐波的含量选定绕组为铝箔,截面为0.8 mm×230 mm。匝数选定:根据电流、感量、磁密、截面积算得匝数为25 匝[9]。电抗器各部分的磁阻计算公式为Rx = hxu0ucAex(1)式中:Rx为磁柱的磁阻;hx为对应磁柱的磁路长度,非磁柱本身的长度;u0为真空磁导率;uc为磁性材料的相对磁导率;Aex为磁柱的磁路截面积。根据铁硅粉芯的特性,磁导率与磁场强度的关系拟合曲线为u(Ha) = 6.000 1×10-6Ha2-3×10-9Ha3-0.004 05Ha+1 (2)式中,Ha 为磁柱中的磁场强度。代入安培环路定理,即NI=Hl(3)式中:N 为电抗器的线圈匝数;I 为电抗器的输入电流;H 为磁芯的磁场强度;l 为磁路长度。可得铁芯的磁路磁场强度与电抗器电流的关系,从而获得铁芯各部分的磁场强度。根据磁阻公式(1),核算通入峰值电流后磁路各部分的磁阻,即Rx(Ha) = hxu0ucu(Ha)Aex(4)则可得峰值电流下电感为L(Ha) = N2Rx(Ha)+Re(Ha)+Rg(5)式中:Rx(Ha)为电抗器铁芯柱在磁场强度为Ha 时的磁阻;Re(Ha)为电抗器铁芯轭在磁场强度为Ha时的磁阻;Rg为气隙处的磁阻。计算得峰值电流下电感LIf为120 μH, 满足设计要求。但由于边柱的磁阻和单个中柱的磁阻相等,且三相零序电感为并联关系,其耦合系数约为0.93,所以零序感抗只有108 μH,远低于设计要求。

    零序感抗的大小与零序感抗磁路的磁阻成负相关,而中柱的磁阻决定了正序感抗的大小,不能随意更改,所以只能尽量减小边柱的磁阻,而边柱的长度受限于中柱的高度,不能减小;增大边柱截面积会导致边柱体积明显增大,综上所得增大边柱铁芯的磁导率成了最优的选择。考虑到零序电流为60 A,频率为8 kHz,根据磁性材料的损耗和衰减特性,选择B23P090 的取向硅钢片作为边柱的磁性材料[10,12]。由于取向硅钢片的相对磁导率远远大于铁硅粉芯的相对磁导率,所以在计算零序阻抗的磁阻时,边柱的磁阻可以忽略[11],则零序感抗为L0= L13 ×0.93×3 = 2303×0.93×3 = 213.9 μH (6)计算结果符合设计要求。

    3、三相五柱磁路仿真
    使用Maxwell 对三相五柱电抗器进行建模仿真。当电抗器的磁芯都是由铁硅粉芯组成时,其磁链分布如图4所示。由图4可以看出,在铁芯柱与铁芯轭的接缝处存在较多的旁路磁通,而且这些旁路磁通有一部分直接与绕组铝箔相交,这些磁链会在铝箔内形成电阻很小的涡流,引起很大的线圈损耗。为减小旁路磁通的影响,将上下颚换成B23P090 取向硅钢片,对其进行仿真,其磁链分布如图5 所示。由图可见,即使在电抗器绕组中通入零序电流,气隙处的旁路磁通依然很小,减小旁路磁通引起附加损耗的同时减少了电抗器的漏磁,防止对周边的器件产生电磁干扰。

    4、成本分析
    相比之前方案中采用的3 个独立单相电抗器,三相五柱电抗器铁芯、绕组的重量,尤其是采用混合磁路型三相五柱电抗器,铁硅粉芯的用量可以减小20%以上,替换为单价只有铁硅粉芯一半的硅钢片;线包的总体数量减少一半,省掉了用于线包间连接的端子、线包间的绝缘材料,大大简化了生产工艺,节约了人工成本;电抗器的机械固定结构减少了30%以上,且由于上、下轭使用硅钢片,则电抗器的规定件可以使用普通碳素结构钢,不必为了避免漏磁引起的过多损耗,而使用价格昂贵、不易加工的不锈钢。经过核算,采用混合磁路型三相五柱电抗器的成本比采用3 个独立单相电抗器减少20%以上。

    5、样机数据
    根据以上的设计方案制作了一台样机进行了测试。经测试其输入电流与电感的关系曲线如图6和图7 所示。由图6 可见,在通入305 A 直流电流的情况下, 正序感量为108 μH, 大于要求的100μH,表明三相五柱式的正序感量完全满足要求;从图7 可以看出,其零序电感也达到了210μH,且随着输入电流的增大, 零序电感基本上不发生衰减,符合设计要求; 将产品安装在逆变器上测试得到,在其零序电流只用8A(峰峰值),而之前采用3 个独立单相电抗器时,零序电流为7.8 A(峰峰值),且整机效率由98.56%上升到了98.68%。

    三、关于三相三柱电抗器与三相五柱电抗器的结语
    通过仿真分析和实验测试表明,提出的三相五柱式电抗器方案可以很好地实现零序电感抗与正序电抗器的集成,原理正确可行。相比于三柱式大漏感电抗器,产品参数能与系统需求精确匹配,设计过程更加简单,产品旁路磁通很少,减少了不必要的损耗,优化了电抗器周边的电磁环境;相比于之前由3 个单相电抗器组成的滤波器,在达到该系统要求的零序电流抑制的情况下,其效率、成本都有较大的提升。对系统而言,其结构更加简单,省掉了大量的机械连接装置,装机更加方便,可靠性更高,占用机柜的体积更小,有利于降低大功率逆变器的成本,提高逆变器的效率和功率密度。

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