光伏逆變器用三相三柱電抗器與三相五柱電抗器的應用比較

    摘 要：針對可再生能源逆變器需要并機運行以實現(xiàn)大功率電能輸出的特點，通過分析現(xiàn)用逆變器的并網(wǎng)用濾波電抗器，提出了一種新型的兼具有共模電流抑制效果的三相五柱電抗器方案，在保證各相電路的差模感量的同時，通過解耦磁集成的方法，使三相電抗器的零序電抗器大大增加。應用在逆變器并機系統(tǒng)中，可減小電路中的濾波電抗器的數(shù)量，改善系統(tǒng)的電路結構，減少逆變器的成本，具有較大的實際應用價值。

    關鍵詞：太陽能逆變；三相三柱電抗器；三相五柱電抗器；零序電抗器；

    一、并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行的系統(tǒng)模型
    基于可再生能源（如風能、太陽能等）的分布式發(fā)電技術是人類應對能源危機與解決環(huán)境污染的重要手段之一，近年來受到廣泛重視。隨著我國新能源產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，風力、光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量也逐漸增加。單個并網(wǎng)逆變器已經(jīng)不能滿足風力、光伏發(fā)電的容量要求，因此，實現(xiàn)逆變器并聯(lián)輸出得到了廣泛的研究。在參與并聯(lián)的每個逆變器輸出瞬時電壓嚴格相等的情況下，并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部理論上不存在環(huán)流，但是，由于構成逆變器的功率器件本身存在的觸發(fā)延時差異等因素的存在，在各逆變器控制中即使使用同步控制信號，實現(xiàn)各逆變器輸出瞬時電壓嚴格一致也十分困難，因此，在實際應用中，逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中環(huán)流是普遍存在的。為了并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 抑制環(huán)流已成為實現(xiàn)并聯(lián)控制的關鍵問題[1-4]。

    目前，并聯(lián)環(huán)流的抑制方法主要集中在通過優(yōu)化控制算法，保證各并聯(lián)逆變器的輸出一致，為了實現(xiàn)精準控制需要精密的檢測元件、反饋系統(tǒng)、控制及驅(qū)動系統(tǒng)[3]，導致逆變器的控制系統(tǒng)變得冗雜，成本、體積都相應地增大。而采用增加零序電抗器的方法則可在保證控制系統(tǒng)不變的情況下獲得更好的并聯(lián)效果，但增加零序電抗器意味著逆變器成本和體積的增加[5]。本文將通過磁集成技術，在不增加體積的情況下，將共模（零序）電抗器集成到逆變電抗器中。

    以由兩臺125 kW 三相逆變器并機組成的250kW 光伏逆變系統(tǒng)為例， 其常用的結構框圖如圖1所示。其中三相逆變電路采用多電平逆變拓撲，濾波器采用LCL 型濾波器，為了保證濾波器有足夠的零序電抗器，前級濾波電抗器需要采用3 個獨立的單相鐵硅粉芯電抗器組成；后級濾波電抗器由于電流諧波較少，可以采用價格相對便宜的三相硅鋼電抗器[6]。

    三相五柱電抗器結構：由于前級濾波電抗器采用3 個獨立的單相鐵硅粉芯電抗器組成，逆變器內(nèi)部需要很多的連接結構，導致系統(tǒng)結構復雜，體積、成本相應增加。而采用鐵硅粉芯材質(zhì)作三相電抗器的磁芯，其3 個線圈各自漏感也可構成零序電抗器，其漏磁通主要由橫穿過磁芯柱的旁路磁通組成，如圖2 所示。而旁路磁通增大會使正序感量降低，正序諧波的抑制效果減弱；同時旁路磁通會穿過電感線圈，導致繞組渦流損耗的增加，對電抗器的效率、溫升都會產(chǎn)生明顯的影響[7,8]。為了保證三相電抗器具有足夠的零序電抗器，在三相磁柱之外增加2 個磁柱，構成三相五柱式的電抗器，其產(chǎn)品結構及鐵芯結構如圖3 所示。

    二、三相五柱電抗器方案設計
    1、電抗器設計要求
    具有零序感抗的該三相五柱式電抗器的技術要求如下： 額定電壓為400 Vac； 額定電流為216Aac；零序電流為60 A（ 峰峰值），8kHz；初始感量為230μH；額定感量為100μH、305 Adc；零序感抗為大于200μH；額定頻率為50Hz；開關頻率為9kHz；諧波含量約為30%；逆變器拓撲為三電平逆變電路；產(chǎn)品尺寸為380 mm×200 mm×400mm。

    2、電抗器方案演算
    鐵芯選型： 根據(jù)三相電抗器的經(jīng)驗公式及電抗器尺寸的要求，選定鐵芯為相對磁導率60 的鐵硅粉芯，鐵芯柱截面為40 mm×75 mm，高度為260 mm，鐵芯軛尺寸為40 mm×75 mm×300 mm，邊柱尺寸為20mm×5 mm×260 mm，磁密為6000Gs。繞組選定：根據(jù)額定電流及其諧波的含量選定繞組為鋁箔，截面為0.8 mm×230 mm。匝數(shù)選定：根據(jù)電流、感量、磁密、截面積算得匝數(shù)為25 匝[9]。電抗器各部分的磁阻計算公式為Rx = hxu0ucAex（1）式中：Rx為磁柱的磁阻；hx為對應磁柱的磁路長度，非磁柱本身的長度；u0為真空磁導率；uc為磁性材料的相對磁導率；Aex為磁柱的磁路截面積。根據(jù)鐵硅粉芯的特性，磁導率與磁場強度的關系擬合曲線為u（Ha） = 6.000 1×10-6Ha2-3×10-9Ha3-0.004 05Ha+1 （2）式中，Ha 為磁柱中的磁場強度。代入安培環(huán)路定理，即NI=Hl（3）式中：N 為電抗器的線圈匝數(shù)；I 為電抗器的輸入電流；H 為磁芯的磁場強度；l 為磁路長度。可得鐵芯的磁路磁場強度與電抗器電流的關系，從而獲得鐵芯各部分的磁場強度。根據(jù)磁阻公式（1），核算通入峰值電流后磁路各部分的磁阻，即Rx（Ha） = hxu0ucu（Ha）Aex（4）則可得峰值電流下電感為L（Ha） = N2Rx（Ha）+Re（Ha）+Rg（5）式中：Rx（Ha）為電抗器鐵芯柱在磁場強度為Ha 時的磁阻；Re（Ha）為電抗器鐵芯軛在磁場強度為Ha時的磁阻；Rg為氣隙處的磁阻。計算得峰值電流下電感LIf為120 μH， 滿足設計要求。但由于邊柱的磁阻和單個中柱的磁阻相等，且三相零序電感為并聯(lián)關系，其耦合系數(shù)約為0.93，所以零序感抗只有108 μH，遠低于設計要求。

    零序感抗的大小與零序感抗磁路的磁阻成負相關，而中柱的磁阻決定了正序感抗的大小，不能隨意更改，所以只能盡量減小邊柱的磁阻，而邊柱的長度受限于中柱的高度，不能減小；增大邊柱截面積會導致邊柱體積明顯增大，綜上所得增大邊柱鐵芯的磁導率成了最優(yōu)的選擇。考慮到零序電流為60 A，頻率為8 kHz，根據(jù)磁性材料的損耗和衰減特性，選擇B23P090 的取向硅鋼片作為邊柱的磁性材料[10，12]。由于取向硅鋼片的相對磁導率遠遠大于鐵硅粉芯的相對磁導率，所以在計算零序阻抗的磁阻時，邊柱的磁阻可以忽略[11]，則零序感抗為L0= L13 ×0.93×3 = 2303×0.93×3 = 213.9 μH （6）計算結果符合設計要求。

    3、三相五柱磁路仿真
    使用Maxwell 對三相五柱電抗器進行建模仿真。當電抗器的磁芯都是由鐵硅粉芯組成時，其磁鏈分布如圖4所示。由圖4可以看出，在鐵芯柱與鐵芯軛的接縫處存在較多的旁路磁通，而且這些旁路磁通有一部分直接與繞組鋁箔相交，這些磁鏈會在鋁箔內(nèi)形成電阻很小的渦流，引起很大的線圈損耗。為減小旁路磁通的影響，將上下顎換成B23P090 取向硅鋼片，對其進行仿真，其磁鏈分布如圖5 所示。由圖可見，即使在電抗器繞組中通入零序電流，氣隙處的旁路磁通依然很小，減小旁路磁通引起附加損耗的同時減少了電抗器的漏磁，防止對周邊的器件產(chǎn)生電磁干擾。

    4、成本分析
    相比之前方案中采用的3 個獨立單相電抗器，三相五柱電抗器鐵芯、繞組的重量，尤其是采用混合磁路型三相五柱電抗器，鐵硅粉芯的用量可以減小20%以上，替換為單價只有鐵硅粉芯一半的硅鋼片；線包的總體數(shù)量減少一半，省掉了用于線包間連接的端子、線包間的絕緣材料，大大簡化了生產(chǎn)工藝，節(jié)約了人工成本；電抗器的機械固定結構減少了30%以上，且由于上、下軛使用硅鋼片，則電抗器的規(guī)定件可以使用普通碳素結構鋼，不必為了避免漏磁引起的過多損耗，而使用價格昂貴、不易加工的不銹鋼。經(jīng)過核算，采用混合磁路型三相五柱電抗器的成本比采用3 個獨立單相電抗器減少20%以上。

    5、樣機數(shù)據(jù)
    根據(jù)以上的設計方案制作了一臺樣機進行了測試。經(jīng)測試其輸入電流與電感的關系曲線如圖6和圖7 所示。由圖6 可見，在通入305 A 直流電流的情況下， 正序感量為108 μH， 大于要求的100μH，表明三相五柱式的正序感量完全滿足要求；從圖7 可以看出，其零序電感也達到了210μH，且隨著輸入電流的增大， 零序電感基本上不發(fā)生衰減，符合設計要求； 將產(chǎn)品安裝在逆變器上測試得到，在其零序電流只用8A（峰峰值），而之前采用3 個獨立單相電抗器時，零序電流為7.8 A（峰峰值），且整機效率由98.56%上升到了98.68%。

    三、關于三相三柱電抗器與三相五柱電抗器的結語
    通過仿真分析和實驗測試表明，提出的三相五柱式電抗器方案可以很好地實現(xiàn)零序電感抗與正序電抗器的集成，原理正確可行。相比于三柱式大漏感電抗器，產(chǎn)品參數(shù)能與系統(tǒng)需求精確匹配，設計過程更加簡單，產(chǎn)品旁路磁通很少，減少了不必要的損耗，優(yōu)化了電抗器周邊的電磁環(huán)境；相比于之前由3 個單相電抗器組成的濾波器，在達到該系統(tǒng)要求的零序電流抑制的情況下，其效率、成本都有較大的提升。對系統(tǒng)而言，其結構更加簡單，省掉了大量的機械連接裝置，裝機更加方便，可靠性更高，占用機柜的體積更小，有利于降低大功率逆變器的成本，提高逆變器的效率和功率密度。