太阳光发电站用逆变器和电磁元件
摘要：逆变器是太阳光发电站的主要部件之一，又属于电源技术和电力电子技术的研究范围。从太阳光发电站用逆变器的主电路出发，讨论了其中的电磁元件的一些问题。
引言
太阳光发电站是21世纪最有发展前途的一种可再生能源发电方式。由于它利用洁净的太阳光能，有利于环境保护，无可动部件，可分散灵活配置，将得到年增长率超过20％的快速发展。因此，太阳光发电站不仅受到能源和环境保护部门的重视，而且也受到电源和电力电子行业的关注。
太阳光发电站的主要部件包括太阳电池矩阵、充放电装置、蓄电池、逆变器和控制检测装置。根据是否与外电网相连接，太阳光发电站分为独立型和并网型两种。独立型太阳光发电站独立运行，与外电网没有联系，装有大容量电池，在阴雨天也可以保证用户的用电需要。并网型太阳光发电站输出直接与低压配电网相联，例如，现在国外正大力发展的家庭用太阳光发电站，都规定与外电网相联，不需要蓄电池。但是，有的并网型太阳光发电站也装有一定容量的蓄电池，起到类似不停电电源的作用，在发生事故时，仍然可保证向用户供电。
不管是独立型还是并网型太阳光发电站，都需要逆变器作为主要部件。因此，太阳光发电站用逆变器，已成为电源和电力电子行业的一个热门研究课题。和其他电源设备一样，太阳光发电站用逆变器中的电磁元件，是其中的主要元件之一。由于太阳光发电站用逆变器对效率和使用条件有特殊要求，其中的电磁元件也具有鲜明的特殊性，本文将从太阳光发电站用逆变器的主电路出发，讨论其中的电磁元件的一些问题。
1 太阳光发电站用逆变器主电路
太阳光发电站用逆变器有三个不同于其他逆变器的特点。
1）效率高现在常用的太阳电池矩阵的光电转换效率15％，非常低，如果逆变器效率低，将太阳电池好不容易转换来的电能损耗掉，十分可惜，因此，要求逆变器效率高。否则的话势必要增加矩阵中太阳电池组件的数量，增大矩阵所占的面积，从而大大增加了太阳光发电站的设备投资和土建费用。所以，一般要求10kVA以下的逆变器效率要>90％，10kVA以上的逆变器效率要>95％。
2）波形畸变小而功率因数高并网型太阳光发电站输出要与外电网相联，逆变器输出波形必须与外电网相一致。要求波形畸变5％，高次谐波含量3％，功率因数接近1。独立型太阳光发电站用逆变器的波形畸变可以大一些（10％），但是，为了降低输电线路损耗，也希望波形接近正弦波，功率因数接近1，减少无功功率损耗。
3）能满足使用条件要求大多数独立型太阳光发电站用于偏远山区和海岛，要求逆变器能承受比较恶劣的使用条件，同时保证能在少维护条件下长期工作。由于大多数并网型太阳光发电站用于家庭，要求逆变器的电磁干扰小，不影响人的生活环境，也不妨碍其他家用电器的正常工作。
当然，太阳光发电站用逆变器根据市场要求，和其他商品一样，在满足使用要求的前提下，追求性能价格比高，成本低，体积小，重量轻。
一般按照输出的绝缘形式，把太阳光发电站用逆变器的主电路分为工频变压器绝缘方式；高频变压器绝缘方式；无变压器无绝缘方式；正激变压器绝缘方式。下面根据对太阳光发电站用逆变器的要求，分别对这4种主电路进行介绍。
采用工频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，主电路结构如图1所示，分为电压型和电流型两种。一般采用电压型工频逆变器。大容量和输入为低压大电流的采用电流型工频逆变器，输入中串有大电感，承受的电压应力小，有利于开关器件工作。工频变压器绝缘方式电路简单，变换只有一级，效率较高，制造成本低。一般工频逆变不采用SPWM控制，输出是矩波形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形畸变5％。由于电路中的半导体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。虽然主变压器和滤波电感体积大，但是，可采用低频材料制造，成本并不高。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳光发电站。
采用高频变压器使输入的太阳电池矩阵和输出端的电网绝缘，主电路结构如图2所示，变换分为两级。图2（a）中第一级为SPWM高频逆变器，通过高频变压器后整流滤波，再经第二级工频逆变器，变为工频正弦波电压输出。图2（b）中第一级为PWM高频逆变器，通过高频变压器和第二级周波数变换器，直接变为工频正弦波电压输出，也不象一般周波数变换器那样要求开关器件双向工作，只要单向工作就可以实现变换，虽然减少了整流滤波环节，效率较高，但是，电路和控制比图2（a）复杂。图2（c）电路为现在家庭用太阳光发电站用逆变器主电路，基本结构和图2（a）一样，为了消除零线电流，采用单相三线制输出。
高频变压器比工频变压器体积小，重量轻，成本低。但是，经两级变换，效率问题比较突出，只要采用低损耗吸收电路和认真选择电磁元件，仍然可以使效率超过90％。由于有SPWM控制和周波数变换，输出波形畸变小，不需要强有力的滤波，不过高频电磁干扰问题严重，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。这种方式的逆变器主要用于并网型太阳光发电站。
为了进一步降低成本，提高效率，已开发出太阳光发电站用无变压器无绝缘方式逆变器主电路，电路结构如图3所示。其中图3（a）电路前面为升压电路，后面为SPWM工频逆变器。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配，把太阳电池的输出电压升高到370V左右，尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化，有了升压部分后，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。同时提高了电压，减少了电流，可以降低逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。图3（b）电路为单相三线制输出电路，只要经过简单变换，就可以变为图3（c）的三相输出电路。
逆变器无变压器无绝缘方式的主电路不能使输入的太阳电池与输出电网绝缘，故输入太阳电池的正负极不能直接接地。太阳电池矩阵面积大，存在对地电容，在工作中将出现等效电容充放电电流。其中低频部分，有可能使供电电路的漏电开关误动作，而造成停电。这可以通过控制逆变器开关器件的开关方式来消除它。其中高频部分将通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰，而影响其他用电设备的正常工作，因此，在逆变器输出部分要加电感电容滤波来消除它。此外，还要加共模滤波器，防止太阳电池受高频逆变器的电磁干扰。还有，为了防止太阳电池正负极接地，从而造成逆变器主电路损坏，通过电流互感器或者霍尔检测器，检测太阳电池正、负极的接地电流，如果超过规定值，立即切断逆变器主电路，进行保护。逆变器无变压器无绝缘方式主电路比工频变压器绝缘方式复杂一些，比高频变压器绝缘方式简单，仍然是单级变换、效率高。没有变压器，体积小、重量轻、成本较低，是到目前为止比较好的一种主电路方式。
1.4 正激变压器绝缘方式
逆变器无变压器无绝缘方式主电路虽然各项指标比较好，但是，太阳电池与外电网没有绝缘隔离，存在不安全因素，为了进行保护和防止电磁干扰，要采取许多防护措施。因此，最近开发出逆变器正激变压器绝缘方式主电路，如图4所示，是把图3（a）中的升压电路中的电感器变为正激变压器，同时进行升压和绝缘隔离，既保持了无变压器无绝缘方式主电路的优点，又增加了绝缘隔离功能，使工作更安全可靠。当然，要增加正激变压器，使体积、重量、成本有所增加，但是，从试制样品来看，在直接输入200V，交流输出100V，载波频率20kHz条件下，输出波形接近正弦波，功率因数接近1，从空载到满3kVA时，效率都>90％，成本仍然为用户可接受。
2 太阳光发电站逆变器中的电磁元件
2.1 工频变压器
在逆变器采用工频变压器绝缘的主电路中，起绝缘及功率变换作用的电磁元件是工频变压器。磁芯多数采用冷轧取向硅钢E型冲片叠装而成。线圈采用高强度漆包铜线。为了降低铁损和铜损，磁芯工作磁通密度取1.1～1.1T，线圈工作电流密度取1.5A/mm2。因此，工频变压器体积大，重量重。从国外的工频变压器绝缘方式的太阳光发电用逆变器的样机来看，其中工频变压器约占逆变器总重量的50％，逆变器总效率约为90％左右。据报导，美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器，工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯，铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁芯的1/5，总体效率可以达到95％。工作磁通密度取1.3T，体积和重量比硅钢磁芯还小。因此，可以预测在10kVA以上的太阳光发电站中，由于开关器件工作电流大，开关频率不宜高，而采用工频变压器绝缘的逆变器，其工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯或者搭接式磁芯，效率高，成本也比较低，是一种综合指标较好的方案。
2.2 高频变压器
在逆变器采用高频变压器绝缘的主电路中，起绝缘及功率变换作用的电磁元件是高频变压器，多数采用MnZn软磁铁氧体作为磁芯。高频变压器绝缘的逆变器大量用于家庭太阳光发电站。其开关器件采用IGBT，工作频率20～40kHz，处于高频范围的低端，并不能充分发挥MnZn软磁铁氧体的优点。因此，可以考虑另一种方案，采用铁基非晶合金环型和CD型磁芯来制作逆变器中的高频变压器。
例如，新开发的铁基含钴非晶合金1K104，其饱和磁通密度1?86T，居里温度457℃，磁致伸缩系数1.4910－6。热处理后，在200kHz/0.2T下损耗为3.7W/kg，20kHz/0.5T下损耗为25.6W/kg，40kHz/0.5T下损耗小于40W/kg。而MnZn软磁铁氧体，其饱和磁通密度0.4T，居里温度180℃，磁致伸缩系数为1410－6，在20kHz/0.2T下损耗为12.5W/kg。从这两种材料性能对比可以看出，采用1K104铁基非晶合金太阳光发电站用高频变压器，工作磁通密度高，可达0.5T，它的体积和重量比软磁铁氧体小，总损耗小，效率比软磁铁氧体高。它的居里温度高，在－70℃～＋100℃范围内受温度变化影响比软磁铁氧体影响小。它的磁致伸缩系数小，产生的电磁干扰比软磁铁氧体低。因此，是工作频率为20kHz～40kHz逆变器中高频变压器比较理想的磁芯材料。
2.3 驱动变压器
在逆变器中，进行信号变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁芯。高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁芯。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关。图5是一种驱动IGBT的电路原理与相关波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下，在正弦波电压高于门限电压时，IGBT导通，低于门限电压时，断开。稳压器Dz决定门限电压Vth的大小，使它与副边输出电压幅值相近，从而使开关器件导通接近180。在这种驱动电路中，工作在正弦波电压下的驱动变压器损耗小，体积和重量也小，不会产生电磁干扰。
作为高频SPWM逆变电路中的驱动变压器，载波频率一般都高于20kHz，还要进行正弦脉冲宽度调制（SPWM）。驱动电路和驱动变压器比图5中要复杂一些，但是，设计原则仍然是减小损耗，降低体积、重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁芯来制作SPWM驱动变压器。
2.4 滤波电感器
在逆变器中，起消除直流和交流中高次谐波作用的电磁元件是滤波电感器。直流滤波电感器接在逆变器的输入端，要承受直流和交流的叠加，工作电流大，电感也大，要求磁芯具有恒磁导特性，至少是同样参数的交流滤波电感器容量的2倍。交流滤波电感器只承受交流，磁芯中磁通双向工作，不要求具有恒磁导特性，磁导率远大于直流滤波电感器，一般与电容器组成π型或者T型滤波电路，主要针对高次谐波含量最大的3次谐波来设计。直流滤波电感器可采用铁粉芯，交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。
图5
在逆变器采用无变压器无绝缘的主电路中，升压部分起贮能和变换作用的电磁元件是贮能电感器。由于它的线圈只有一个绕组，在变换同样容量的条件下，体积和重量都比变压器小。设计时要根据升压电路型式和参数来决定。但是损耗也比变压器小，因此，无变压器无绝缘的逆变器效率高，贮能电感器可采用铁粉芯、取向硅钢和非晶合金。
从无变压器无绝缘的逆变器改进而来的正激变压器绝缘的逆变器中，起贮能和变换及绝缘作用的电磁元件是正激变压器，其设计原则与升压部分贮能电感器类似，只是多了副绕组和恢复绕组，体积和重量比同容量高频变压器大。不过总体效率仍然比采用高频变压器绝缘的逆变器高。具体设计原则仍然是减小损耗，降低体积、重量和制造成本，正激变压器可采用软磁铁氧体和非晶体合金，一般载波频率为20kHz左右。
2.6 抗电磁干扰滤波电感器
在太阳光发电站逆变器主电路中，输入和输出端都应当接抗共模和差模干扰的滤波电路，其中的滤波电感器参照抗电磁干扰标准进行设计。抗电磁干扰共模滤波电感器可采用软磁铁氧体和非晶纳米晶磁芯，差模滤波电感器采用软磁铁氧体磁芯。
3 结语
太阳光发电站用逆变器的主电路在不断地发展和变化，其电磁元件也在不断地发展和变化，但是，离不开太阳光发电站逆变器追求效率高，波形畸变小，能满足各种使用条件和成本低的要求，因此，在选用和设计太阳光发电站用逆变器中的电磁元件时，一定要以此为出发点。
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