太陽光發(fā)電站用逆變器和電磁元件

摘要：逆變器是太陽光發(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題。

關(guān)鍵詞：太陽光發(fā)電站；逆變器；主電路；電磁元件

引言

太陽光發(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光能，有利于環(huán)境保護(hù)，無可動部件，可分散靈活配置，將得到年增長率超過20％的快速發(fā)展。因此，太陽光發(fā)電站不僅受到能源和環(huán)境保護(hù)部門的重視，而且也受到電源和電力電子行業(yè)的關(guān)注。

太陽光發(fā)電站的主要部件包括太陽電池矩陣、充放電裝置、蓄電池、逆變器和控制檢測裝置。根據(jù)是否與外電網(wǎng)相連接，太陽光發(fā)電站分為獨立型和并網(wǎng)型兩種。獨立型太陽光發(fā)電站獨立運行，與外電網(wǎng)沒有聯(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)在國外正大力發(fā)展的家庭用太陽光發(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，仍然可保證向用戶供電。

不管是獨立型還是并網(wǎng)型太陽光發(fā)電站，都需要逆變器作為主要部件。因此，太陽光發(fā)電站用逆變器，已成為電源和電力電子行業(yè)的一個熱門研究課題。和其他電源設(shè)備一樣，太陽光發(fā)電站用逆變器中的電磁元件，是其中的主要元件之一。由于太陽光發(fā)電站用逆變器對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題。

1 太陽光發(fā)電站用逆變器主電路

太陽光發(fā)電站用逆變器有三個不同于其他逆變器的特點。

1）效率高現(xiàn)在常用的太陽電池矩陣的光電轉(zhuǎn)換效率15％，非常低，如果逆變器效率低，將太陽電池好不容易轉(zhuǎn)換來的電能損耗掉，十分可惜，因此，要求逆變器效率高。否則的話勢必要增加矩陣中太陽電池組件的數(shù)量，增大矩陣所占的面積，從而大大增加了太陽光發(fā)電站的設(shè)備投資和土建費用。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。獨立型太陽光發(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，減少無功功率損耗。

3）能滿足使用條件要求大多數(shù)獨立型太陽光發(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，同時保證能在少維護(hù)條件下長期工作。由于大多數(shù)并網(wǎng)型太陽光發(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，太陽光發(fā)電站用逆變器根據(jù)市場要求，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；無變壓器無絕緣方式；正激變壓器絕緣方式。下面根據(jù)對太陽光發(fā)電站用逆變器的要求，分別對這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，有利于開關(guān)器件工作。工頻變壓器絕緣方式電路簡單，變換只有一級，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立型太陽光發(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。圖2（a）中第一級為SPWM高頻逆變器，通過高頻變壓器后整流濾波，再經(jīng)第二級工頻逆變器，變?yōu)楣ゎl正弦波電壓輸出。圖2（b）中第一級為PWM高頻逆變器，通過高頻變壓器和第二級周波數(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)變換器那樣要求開關(guān)器件雙向工作，只要單向工作就可以實現(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)兩級變換，效率問題比較突出，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，不過高頻電磁干擾問題嚴(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)型太陽光發(fā)電站。

1.3 無變壓器無絕緣方式

為了進(jìn)一步降低成本，提高效率，已開發(fā)出太陽光發(fā)電站用無變壓器無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電池匹配，把太陽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)過簡單變換，就可以變?yōu)閳D3（c）的三相輸出電路。

逆變器無變壓器無絕緣方式的主電路不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣，故輸入太陽電池的正負(fù)極不能直接接地。太陽電池矩陣面積大，存在對地電容，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關(guān)誤動作，而造成停電。這可以通過控制逆變器開關(guān)器件的開關(guān)方式來消除它。其中高頻部分將通過配電線對其他用電設(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消除它。此外，還要加共模濾波器，防止太陽電池受高頻逆變器的電磁干擾。還有，為了防止太陽電池正負(fù)極接地，從而造成逆變器主電路損壞，通過電流互感器或者霍爾檢測器，檢測太陽電池正、負(fù)極的接地電流，如果超過規(guī)定值，立即切斷逆變器主電路，進(jìn)行保護(hù)。逆變器無變壓器無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單，仍然是單級變換、效率高。沒有變壓器，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

逆變器無變壓器無絕緣方式主電路雖然各項指標(biāo)比較好，但是，太陽電池與外電網(wǎng)沒有絕緣隔離，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?，同時進(jìn)行升壓和絕緣隔離，既保持了無變壓器無絕緣方式主電路的優(yōu)點，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，效率都>90％，成本仍然為用戶可接受。

2 太陽光發(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。從國外的工頻變壓器絕緣方式的太陽光發(fā)電用逆變器的樣機(jī)來看，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)報導(dǎo)，美國的10kVA工頻變壓器絕緣的太陽光發(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)測在10kVA以上的太陽光發(fā)電站中，由于開關(guān)器件工作電流大，開關(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光發(fā)電站。其開關(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。因此，可以考慮另一種方案，采用鐵基非晶合金環(huán)型和CD型磁芯來制作逆變器中的高頻變壓器。

例如，新開發(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比可以看出，采用1K104鐵基非晶合金太陽光發(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)動變壓器

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

作為高頻SPWM逆變電路中的驅(qū)動變壓器，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)動電路和驅(qū)動變壓器比圖5中要復(fù)雜一些，但是，設(shè)計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軟磁鐵氧體磁芯來制作SPWM驅(qū)動變壓器。

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，主要針對高次諧波含量最大的3次諧波來設(shè)計。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

在逆變器采用無變壓器無絕緣的主電路中，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)計時要根據(jù)升壓電路型式和參數(shù)來決定。但是損耗也比變壓器小，因此，無變壓器無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。

從無變壓器無絕緣的逆變器改進(jìn)而來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。抗電磁干擾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

太陽光發(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，離不開太陽光發(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)計太陽光發(fā)電站用逆變器中的電磁元件時，一定要以此為出發(fā)點。